南京大学余林蔚教授课题组研究成果：可拉伸晶硅网格技术

【前言】

具有优良半导体特性的柔性晶硅基底（Soft crystalline silicon wafer）是实现各类可弯折、可拉伸电子和光电子器件（Stretchable electronic and optoelectronics）的关键共性基础材料。为了满足大面积显示、电子皮肤、传感检测和物联网等新应用需求，柔性晶硅需要具有比传统晶硅衬底高出3~4个数量级的可拉伸机械特性，以及可调控的透光性，而且制备成本降低2~3个数量级。实现以上特性突破，需要建立全新的晶硅材料生长工艺和调控策略，在微纳尺度下实现其“精准形貌设计”和“高效规模集成”。

【成果简介】

南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授课题组，首先基于自主创新的低温平面晶硅纳米线（In-plane solid-liquid-solid, IPSLS）生长技术，规模制备高密度、高品质晶硅纳米线弹簧沟道，进而通过优化的平面网格排布连接，实现了在各个方向均可大幅度拉伸的超柔性晶硅纳米线网格阵列 ^[1]。其中采用最近研发的高密度多台阶3D坡面引导技术 [2]，将晶硅纳米线沟道间距缩小到百纳米以内，大幅提高和确保了晶硅网格中纳米线电学和力学连接特性，使之成为宏观上材料特性均匀，同时具备高可拉伸特性（>40%）、高载流子迁移率（>50 cm²/VS）和透光性（>80%）的新型高性能、可定制的半导体薄膜材料。此外，晶硅纳米线网格能够可靠转移到各种柔性聚合物衬底上，或者实现自支撑的悬空网格结构，从而有望直接将高性能晶硅器件集成应用于柔性材质上，实现高性能的柔性电子逻辑、生物传感、虚拟现实和仿生计算应用。同时，利用晶硅网格的独特形貌和空间排布调控能力，还可以实现对二维材料的可编程纳米线（掩模）光刻技术，为探索更高性能的异质杂化可拉伸电子器件提供关键材料和技术基础 [3]。

【图文导读】

图（1）通过沟道形貌调控和可靠规模集成实现的可拉伸晶硅纳米网格结构

以上研究成果近期发表在《Nano Letters》, 《Advanced Electronic Materials》和《npj 2D Materials and Applications》上： 

1. Monolithic integration of silicon nanowire networks as a soft wafer for highly stretchable and transparent electronics,Taige Dong, Ying Sun, Zhimin Zhu, Xiaoxiang Wu, Junzhuan Wang, Yi Shi, Jun Xu, Kunji Chen and Linwei Yu*. Nano Letters, accepted, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02291 (2019)
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b02291

2. 3D sidewall integration of ultra-high density silicon nanowires for stacked channel electronics

Xiaoxiang Wu, Haiguang Ma, Han Yin, Danfeng Pan, Junzhuan Wang, Linwei Yu,*Jun Xu, Yi Shi, Kunji Chen. Advanced Electronic Materials, 1800627 (2019)

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aelm.201800627 

3. Highly stretchable graphene nanoribbon springs by programmable nanowire lithography

Chuan Liu, Bing Yao, Taige Dong, Haiguang Ma, Shaobo Zhang, Junzhuan Wang, Jun Xu, Yi Shi, Kunji Chen, Libo Gao*and Linwei Yu*. npj 2D Materials and Applications 3, 23 (2019)
https://www.nature.com/articles/s41699-019-0105-7 

以上三篇论文的第一位作者分别是董泰阁同学，吴小祥同学，刘川同学，通讯作者是余林蔚教授，其中第三个工作的共同一作为物理学院的姚斌同学，共同通讯作者为物理学院高立波教授。相关工作得到了南京大学徐骏教授、施毅教授和王军转副教授的大力支持。该项研究工作受到青年千人计划，国家自然科学基金，江苏省杰出青年基金和双创人才计划资助。

本文由南京大学余林蔚教授课题组供稿。

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