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納米線可以被定義為一種具有在橫向上被限制在100納米以下（縱向沒有限制）的一維結(jié)構(gòu)。懸置納米線指納米線在真空條件下末端被固定。典型的納米線的縱橫比在1000以上，因此它們通常被稱為一維材料。實驗表明納米線可以被用于下一代計算設(shè)備，例如：通過對納米線摻雜，并對納米線交叉可以制作邏輯門。這些在小尺度下才具備的性質(zhì)使得納米線被廣泛應(yīng)用于新興的領(lǐng)域，例如納電機系統(tǒng)。  

一項剛發(fā)表在Nature Communications的研究介紹了一種新形式的硅，該研究稱這種形式的硅可以徹底改變半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。     

用于制造超窄硅納米線的新型化學氣相蝕刻工藝的示意圖  

美國東北大學機械與工業(yè)工程教授 Yung Joon Jung 和他的同事Moneesh Upmanyu在納米線合成方面取得了重大進展。他們發(fā)現(xiàn)了一種新的、高密度的硅形式，同時掌握了一種新的、可擴展的無催化劑蝕刻工藝，使生產(chǎn)超小尺寸，直徑為 2 到 5 nm的硅納米線成為可能。  

這項研究的起點可以追溯到大約 10 年前，Jung 注意到學生們使用硅晶片進行的一項實驗時出現(xiàn)的一個不同尋常的結(jié)果。在電子顯微鏡下看到的材料與學生們本打算生產(chǎn)的材料不同。Jung決定進一步了解這種物質(zhì)，他發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)是具有“非常、非常微小”的線狀納米結(jié)構(gòu)的硅。當時他們能夠復(fù)制新材料，但是當他們試圖改進合成過程時，納米線并沒有生長。  

隨后Jung和他的團隊開始重新從頭開始研究合成機制以及材料的原子級結(jié)構(gòu)和特性。在項目中 Upmanyu使用理論、計算機建模和模擬來理解材料和解釋實驗。  

有反對者認為，在合成過程中由硅晶片產(chǎn)生的物質(zhì)可能根本不是硅。因為這種材料具有高度壓縮的結(jié)構(gòu)，與普通硅相比減少了 10% 到 20%，而普通硅在這種壓縮狀態(tài)下通常是不穩(wěn)定的。對此，Jung 表示 Upmanyu 的計算分析和建模能夠證明，盡管具有不同尋常的特性，但這種新材料是一種硅形式，頂部有一層非常薄的氧化物，這可能有助于維持壓縮。  

Upmanyu 說，硅被廣泛用作計算機芯片、集成電路、晶體管、硅二極管和液晶顯示器等微電子領(lǐng)域的半導(dǎo)體的原因之一是它便宜且豐富。根據(jù)英國皇家化學會的說法，硅是地殼中僅次于氧的第二豐富元素，但它在自然界中并非以其純凈、未結(jié)合的狀態(tài)存在。硅可以在沙子、石英、燧石、花崗巖、云母和粘土以及其他石頭和礦物中找到。然而，傳統(tǒng)的硅無法承受高溫，因此僅限于低功率應(yīng)用。它的帶隙為 1.11 eV （帶隙決定了半導(dǎo)體材料中的電子在受到外部源刺激時導(dǎo)電所需的能量）。  

Jung說，這種新材料具有 4.16 eV 的超寬禁帶寬度。超寬帶隙意味著材料需要更大的刺激才能導(dǎo)電，但可以在高功率、高溫和高頻下工作。用這種新材料生產(chǎn)的硅納米線將適用于電力電子、晶體管、二極管和 LED 設(shè)備。與普通硅不同，這種新材料具有很強的抗氧化性。這種硅能夠發(fā)出藍光和紫光，可用于紫外線照明和藍光二極管。  

傳統(tǒng)的納米線的制備有被懸置法、沉積法、元素合成法等。Jung和他的研究團隊還創(chuàng)造了一種生產(chǎn)硅納米線的新方法，稱為化學氣相蝕刻。該方法通過去除材料而不是生長晶體制備納米線。通過這種方法，可以制造出比目前商業(yè)上使用的硅納米線小 10 到 20 倍的納米線。  

先前已知的納米線合成工藝使用催化劑顆粒來生長硅晶體。而Jung創(chuàng)造的方法無需催化劑，這消除了在合成后去除催化劑的需要，因為去除催化劑會降低納米線的功能特性。有時，催化劑顆粒會成為納米線表面的一部分，幾乎不可能去除它們。這樣科學家們可以復(fù)制控制長度高達 100 微米的納米線。  

Upmanyu認為這項研究未來會產(chǎn)生廣泛的影響。這種化學氣相蝕刻方法將可用于許多其他材料。不僅可以考慮電子應(yīng)用，還可以考慮任何想要獲得小尺寸的應(yīng)用材料制成。新的硅材料對半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)該很有吸引力。它可用于軍用無線電、雷達和太陽能電池等光伏設(shè)備。  

常規(guī)的硅帶隙不允許處理紫外線并將其用于發(fā)電。這種便宜、豐富的寬帶隙材料，可以成為擁有非常高效的太陽能電池。Upmanyu 表示這種材料甚至可以用于在水下收集太陽能，水會吸收紅色和紅外線光譜，因此能夠收集藍色和紫外線的太陽能電池變得至關(guān)重要。  

新的硅納米線可以改善鋰離子電池。進一步添加一些精選材料，如磷或氮（一種稱為摻雜的技術(shù)）可以產(chǎn)生其他有趣的特性并允許其他應(yīng)用。此外，研究人員表示這些硅納米線中可以操縱各種有趣的量子現(xiàn)象，因為它們的尺寸非常小，這使得這種材料有望用于量子信息處理，甚至可能用于量子計算。  

這項研究還沒有結(jié)束。科學家們?nèi)匀挥信d趣更好地了解該過程背后的所有化學成分，并弄清楚為什么這種形式的硅的壓縮如此穩(wěn)定。他們希望優(yōu)化蝕刻工藝以產(chǎn)生更光滑的表面并進一步擴大其用于工業(yè)應(yīng)用的規(guī)模。

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