南京大学Nature子刊：通过液滴介导的P-R转变制造岛链硅纳米线

【引语】

由于表面吉布斯自由能的缘故，从热学的角度看一维纳米线是不稳定的。如果高效的质量迁移（mass migration）能够实现，纳米线就会发生大尺度的直径变化或者分散成独立的球体。如果这一形貌演变能够在可控的情形下发生，那么能够为设计通过硅纳米线（SiNW）通道进行电子、光子以及声子传输提供了一个有效的方法。

【成果简介】

我们知道，尺寸均一的硅纳米线在制备过程中需要经历一个高温（>1000 °C）球状化（spheroidization）过程。直到最近，研究人员才能够利用Plateau-Rayleigh（P-R）晶体生长来解释硅纳米线侧壁的岛-壳生长（island-shell growth）。然而，这种P-R不稳定转变在远低于硅熔点（1414 °C）的低温条件下是及其低效的。要想在低温以及可控的条件下实现晶体硅（c-Si）的P-R转变需要从纳米尺度的移动生长角度开发新策略。

近日，南京大学的徐骏教授、余林蔚教授等在期刊Nature Communication上发表文章，报道了在面内（in-plane）硅纳米线生长中实现大规模P-R自我转变（self-transformation）。利用低熔点的锡（Sn）催化剂液滴吸收作为前驱体的非晶硅为介导，大型界面作用能够使得催化剂液滴拉长变形，从而刺激周期性P-R转变/振荡，并最终使得直硅纳米线在小于350 °C的低温下形塑成连续或分离的岛链状（island-chains）硅纳米颗粒。这种独特的形貌制备离不开精确的自我定位能力，这些能力的相结合规模器件的发展是非常有利的。

【图文导读】

图1：制备过程与形貌转变示意图

（a-c）展示了氢气等离子体催化剂的形成、氢化非晶a-Si:H层涂覆以及Sn催化的硅纳米线退火生长步骤；

（d）为a-Si:H层涂覆后的Sn催化剂液滴的SEM图像；

（e）Sn液滴初始生长的原位SEM图像；

（f）Sn播种条带上生长的面内硅纳米；

（g-i）直硅纳米线形塑成连续或分离的岛链状（island-chains）硅纳米线结构。

图2：自由生长的岛链状纳米线的形貌和统计学表征

(a) Sn带边缘的单条岛链状硅纳米线的放大观察图像；

(b) 纳米尺度迁移生长系统中的关键维度参数；

(c) 不同厚度非晶a-Si:H层的岛链状硅纳米线的宽度调制图。

图3：引导生长的岛链状纳米线的形貌和统计学表征

(a) 引导生长岛链状纳米线的SEM图像；

(b) 岛链状纳米线的长宽统计学数据；

(c) Sn带边缘岛链状纳米线在生长过程中的形貌演变；

(d) 图c中连续岛链部分的放大图像。

图4：岛链状纳米线的结构分析

在图4中，研究人员利用高分辨透射电镜对岛链状纳米线进行了结构分析，并确认了纳米线高度的结晶度。此外，通过图e中心电子衍射花样分析，岛链状纳米线的生长是沿着硅[111]方向进行的。

图5：生长平衡点演变及面内生长振荡

(a) Sn液滴的拉伸；

(b) 生长点附近的振荡。

图6：连续或分离岛链状纳米线的形成

(a)   Sn液滴的P-R不稳定性导致了岛链几何学的产生；

(b)   连续或分离岛链状纳米线的尺寸统计；

(c) 分离硅点结构的典型SEM图像。

【小结】

该篇文章报道了一维硅纳米线独特的P-R形貌设计。这一研究成果表明，纳米尺度的迁移行为有能力开发新型的形貌，为精致复杂的功能器件的制备提供了一个简单有效的思路。

文献链接：Engineering island-chain silicon nanowires via a droplet mediated Plateau-Rayleigh transformation（Nat. Commun.，2016，DOI: 10.1038/ncomms12836）

该文献汇总由材料人编辑部学术组John-chern供稿，材料牛编辑整理。

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