南京大学余林蔚、徐骏教授课题组Nano Letters封面报道：3D纳米螺旋生长集成及NEMS器件应用

【引言】

硅基三维纳米螺旋（3D nanohelices）结构是开发新一代手性光学、柔性机电和生物传感应用的基础共性构架单元，但却难以通过传统的光刻工艺批量制备。虽然传统自组装生长方法可制备出各种随机取向的纳米螺旋，其尺寸调控精确性、空间排列一致性以及形貌定制可控性都远达不到器件集成的需求。

【成果简介】

南京大学电子学院余林蔚、徐骏教授课题组基于自主创新的平面IPSLS纳米线生长技术，将平面纳米线的精准引导生长成功拓展到三维空间调控和集成。通过金属液滴诱导，在覆盖非晶硅前驱体的“竹状”立柱表面，连续盘旋生长（spiral growth）出直径、间距和纵宽比精确可控的纳米线螺旋“盘龙柱”结构。其中柱状支撑结构可以通过前期氧化处理而被选择性刻蚀，从而释放出排列规则的纳米线三维纳米弹簧阵列，并成功应用于展示各种超可拉伸连接、三维复合结构支撑和电驱动NEMS谐振器件等新型应用。值得指出的是，在盘旋上升或下降的纳米线生长过程中，柱状表面的平行引导沟道（sidewall grooves）发挥了至关重要的作用：正是在其引导下，金属催化液滴首先进行规则地水平盘旋生长，在绕柱一周吸收完本层非晶前驱体后，自动换行生长（line-feeding growth）进入下一层引导沟道，从而保证能够一次性生长出连续的纳米线螺旋结构。

【图文导读】

图1：在“竹状”立柱表面上的晶硅纳米线连续自换行盘旋生长及其NEMS谐振器件结构

图2：金属液滴与柱面引导沟道尺寸匹配条件，及优化后多层连续生长“盘龙柱”结构的稳定性验证

图3：中心支撑完全或部分刻蚀释放后的纳米螺旋弹簧阵列结构

图4：基于站立纳米线螺旋结构实现的立体“弹簧-球负载”复合结构，及其可拉伸特性测试；单个纳米螺旋三维结构在电学驱动下实现的三种不同振荡本征模式，及其对应的形变模拟示意图

【总结】

在这个工作中，作者利用深硅刻蚀工艺，制备侧壁具有波纹状结构的柱阵列，结合IPSLS纳米线生长技术，利用侧壁波纹状结构引导催化金属液滴自动跨越侧壁沟道运动，制备了三维纳米线螺旋结构。并且通过选择性刻蚀去除中心柱，实现了纳米线螺旋结构的释放，获得自支撑纳米线弹簧结构。释放后的三维纳米线螺旋结构，可以在外加交流电场驱动下，实现机械振动。利用这种制备方法，可以精确控制纳米线弹簧结构的形貌，并能够精确定位纳米线弹簧的位置，为此类结构的集成和实际应用，提供了一种可靠的技术方案。

Cylindrical line-feeding growth of free-standing silicon nanohelices as elastic springs and resonators. Nano Lett, 2020. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01265

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01265

本文由南京大学电子学院余林蔚、徐骏教授课题组供稿。