Adv. Mater.：2D Si纳米片的“一气呵成”技术

【引言】

硅作为现代电子/光电和光伏行业的基础材料，已经被广泛研究了几十年。与块状Si相比，Si纳米材料由于其独特的尺寸效应和表面化学特性表现出了许多迥异的电学、力学、光学、热电和电化学性质，被广泛应用于各大领域，包括光伏电池、光电子器件、药物传输系统、传感器、热电学和锂离子电池等。过去的二十年里，在低维硅纳米结构的合成方面已经取得了很大的进步。利用磁控溅射、化学气相沉积（CVD）、离子注入和化学刻蚀方法，已成功制备了零维的硅材料（包括硅纳米粒子和量子点）、一维硅材料（包括纳米线、纳米管和纳米棒）和三维硅材料（包括多孔硅）。然而超薄厚度（小于5 nm）的二维硅的合成依旧是一个巨大的挑战。CVD作为一种成熟的二维材料生长方法，虽然可以用于制备厚度可控的硅纳米片（SiNSs），但是加工条件苛刻，成本较高。另一个很好的制备方法是在低温（<273 K）下用HCl水溶液处理CaSi₂。CaSi₂是具有的2D Si层填充的Zintl相硅化物，可用于合成超薄SiNSs。另一方面，二维硅纳米片已经被预言有许多有趣的物理特性。理论计算表明SiNSs具有非凡的电子和光电子性质，在室温下，其光致发光（PL）特性与材料厚度相关。此外，外部应变或电场可以将SiNSs调谐成直接带隙半导体，提高其在光伏应用和光催化方面的应用。

【成果简介】

近日，清华大学伍晖副教授、李晓雁副教授、李群仰副教授和布朗大学的高华健教授在Adv. Mater.上发表了一篇题为“Scalable Synthesis of 2D Si Nanosheets”的文章。本研究报道了一种室温下SiNSs的一步合成技术，使厚度约为4 nm （SiNSs）硅纳米片可以大规模、低成本的生产，这类SiNSs横向尺寸只有几微米。理论建模与原子仿真模拟结果表明，单一SiNSs的形成是脱锂过程中SiNSs自然分层的结果。随后，合成的硅纳米片经过不同温度下的退火，形成纳米晶或者SiNSs晶体。这些SiNSs具有独特的力学性能，特别是具备超低的摩擦系数，这与其块状材料大不相同。

【图文导读】

图1 .层状Si颗粒和a-SiNSs的合成与表征

a) a-SiNSs的合成途径示意图；

b) 通过蚀刻Li₁₃Si₄获得的层状Si颗粒的SEM图像；插图：分散于乙醇中的a-SiNSs。

c-f ）通过蚀刻Li₁₃Si₄获得的层状Si颗粒的SEM图像。

g）a-SiNSs的TEM图像，插图：相应的选区电子衍射花样。

h）a-SiNSs的AFM表征图像。

刻度棒：b）10μm，c，e）1μm，d，f）200nm，g）100nm。

图2 .层状a-Si结构形成的理论建模和原子模拟

a) c-Li₁₃Si₄基底脱锂形成a-Si膜的分层示意图；

b) c-L_i13Si₄的初始原子配位，红色和蓝色球体分别代表Li和Si原子；

c) 脱锂期间的中间状态；

d) 完全脱锂后，上部的最终原子配置；

e) a-Si膜的RDF；

f) a-Si膜中双轴原子应力（σxx+σzz）/ 2的等值线图；

g) 具有界面裂纹条带的初始原子构型；

h) 基于CZVE方法的界面牵引分离MD数据和平滑曲线；

i) 在不同应变下，沿着界面的裂纹扩展的一系列快照。

图3.层状硅颗粒和SiNSs的表征

a) 部分结晶的层状Si颗粒的SEM图像；

b) 结晶层状Si颗粒的SEM图像；

c) 分层Si颗粒的XRD图，Si（JCPDS卡号为27-1402）的峰被标记；

d) a-SiNSs，nc-SiNSs和c-SiNSs的拉曼光谱；

e，f）nc-SiNSs和c-SiNSs的AFM表征图像；

刻度棒：a）1μm，b）2μm。

图4.nc-SiNSs和c-SiNSs的TEM图像

a, b) nc-SiNSs的TEM和STEM图像，插图：相应的选区电子衍射花样；

c, d, e) c-SiNSs的STEM图像和STEM图像，及相应的选区电子衍射花样;

f) 晶体Si的化学结构图;

比例尺：a）100nm，b）2nm，c）200nm，e）1nm。

图5. a-SiNSs和c-SiNSs的超低摩擦特性

a) a-SiNSs的表面地形表征图像（左图）和横向摩擦力（右图）；

b) c-SiNSs的表面地形表征图像（左图）和横向摩擦力（右图）；

c) a-SiNSs、c-SiNSs和块状Si的摩擦力与正常载荷曲线的比较。

【小结】

在本文中，研究人员提出了一种全新的2D Si纳米片可扩展合成技术，使厚度约为4 nm （SiNSs）硅纳米片可以大规模、低成本的生产。这将极大促进2D Si纳米片在光伏电池、光电子器件、药物传输系统、传感器、热电学和锂离子电池等领域方面的应用。

文献链接：Scalable Synthesis of 2D Si Nanosheets（Adv. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201701777 ）

本文由材料人编辑部新人组赵晓彤编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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