硅纳米线电、磁和热性能研究及应用

【摘要】：作为重要的一维材料,纳米线受到广泛的关注。一维纳米材料,特别是半导体一维纳米材料,在电、光、热、磁等方面表现出独特和优越的性能。硅纳米线由于和现代半导体工艺相兼容,成为重要的一维纳米半导体材料之一。化学刻蚀法实验设备简单、成本低、生成效率高以及重复性好,成为制备硅纳米线的最理想的技术之一。化学刻蚀法制备的硅纳米线具有巨大的比表面积,同时,表面包裹无定型氧化硅,因此可以看成具有核/壳结构的硅纳米线。在核/壳界面附近,存在大量未饱和悬挂键。这些悬挂键形成表面缺陷态,对硅纳米线的电、光、热、磁等特性产生影响,本文针对这些问题进行了研究和探讨,开展了如下几个方面的研究工作： 第一,分析了无电化学刻蚀法制备硅纳米线的生长机理。通过对贵金属离子、贵金属、硅离子和单晶硅氧化还原电势的分析,提出贵金属盐在氧化还原反应中作为氧化剂被还原,硅作为还原剂被氧化。例如用AgNO3和HF混合溶液刻蚀硅片,被还原的Ag作为原电池阴极,硅纳米线作为电子传输通道,带负电,不容易被氧化,从而保留下来。制备生成的硅纳米线表面呈锯齿状,说明刻蚀过程遵循硅各向异性原理。 第二,研究了硅纳米线表面顺磁缺陷。采用通过电子自旋共振表征硅纳米线中缺陷,发现未经处理的硅纳米线表/界面存在三种不同的缺陷。其中大约95%的自旋密度由硅纳米线Si/SiO2界面悬挂键(Pb缺陷中心)引起,剩余5%由氧缺陷引起。这些缺陷都会影响硅纳米线电/热传输机制。同时,硅纳米线表/界面未饱和悬挂键具有顺磁性,对硅纳米线磁性复合材料的磁特性也会产生影响。 第三,研究了硅纳米线电流传输机制及Pt/p-SiNWs肖特基结的特性。硅纳米线表面缺陷态引起硅纳米线表面形成耗尽层,费米能级被“钉扎”。通过制备Pt/p-SiNWs肖特基结验证了硅纳米线中电流传输机制为缺陷辅助隧穿机制,从而也说明了硅纳米线高的表面态能够对硅费米能级实现“钉扎”,提高了硅纳米线中电子输运的能力。 第四,研究了硅纳米线磁性。磁性材料的尺寸达到纳米尺寸后,成为单畴磁纳米粒子,比表面积增大,表面缺陷和悬挂键增多,出现顺磁特性。如果将磁性纳米粒子沉积在硅纳米线表面,磁性纳米粒子和顺磁缺陷之间相互作用,必然对复合材料的磁性产生影响。制备了Ni/SiNWs磁性复合材料,说明铁磁性纳米粒子和超顺磁缺陷之间的相互作用,能引起复合材料磁性的变化。 第五,研究了硅纳米线热电性能。无电化学刻蚀制备的硅纳米线表面包裹无定型自然氧化层。氧化层中存在大量缺陷。缺陷态形成核/壳界面势垒差,形成界面内电场和耗尽层,降低了硅纳米线热传输有效面积,增大了表面声子散射率,减小了硅纳米线热导率,提高了硅纳米线的热电性能。通过拉曼光谱法研究了核/壳双面硅纳米线阵列热电性能,其热导率为0.59Wm-1K-1,优值为1.68,热扩散系数为0.007cm2/s,体现出优异的热电性能。 总之,SiNWs已经在电、热、光、磁等领域显现出良好应用潜能,很有希望成为纳米传感器等纳米电子器件的潜在应用半导体材料。