أسلاك السيليكون النانوية

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة
مخطط الأسلاك النانوية المصنوعة من السيليكون

الأسلاك النانوية السيليكونية ، والتي يشار إليها أيضًا باسم SiNWs ، هي نوع من الأسلاك النانوية شبه الموصلة التي تتكون غالبًا من مادة أولية من السيليكون عن طريق نقش مادة صلبة أو من خلال النمو المحفز من الطور البخاري أو السائل. تتمتع هذه الأسلاك النانوية بتطبيقات واعدة في بطاريات الليثيوم أيون، والمواد الحرارية الكهربائية وأجهزة الاستشعار . غالبًا ما يكون التخليق الأولي للأسلاك النانوية السيليكونية مصحوبًا بخطوات الأكسدة الحرارية لإنتاج هياكل ذات حجم وشكل مصممين بدقة. [1]

تمتلك SiNWs خصائص فريدة لا تُرى في المواد السليكونية السائبة (ثلاثية الأبعاد). تنشأ هذه الخصائص من بنية إلكترونية شبه أحادية البعد غير عادية وهي موضوع بحث في العديد من التخصصات والتطبيقات. والسبب وراء اعتبار SiNWs واحدة من أهم المواد أحادية البعد هو أنها يمكن أن يكون لها وظيفة كتل بناء للإلكترونيات النانوية المجمعة دون الحاجة إلى مرافق تصنيع معقدة ومكلفة. [2] غالبًا ما تتم دراسة SiNWs نحو تطبيقات بما في ذلك الطاقة الكهروضوئية وبطاريات الأسلاك النانوية والمواد الحرارية الكهربائية والذاكرة غير المتطايرة. [3]

التطبيقات

بفضل خصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة، تعد أسلاك السيليكون النانوية مرشحة واعدة لمجموعة واسعة من التطبيقات التي تعتمد على خصائصها الفيزيائية والكيميائية الفريدة، والتي تختلف عن خصائص مادة السيليكون السائبة. [1]

تظهر SiNW سلوك احتجاز الشحنة مما يجعل مثل هذه الأنظمة ذات قيمة في التطبيقات التي تتطلب فصل فجوات الإلكترون مثل الخلايا الكهروضوئية والمحفزات الضوئية. [4] أدت التجربة الأخيرة على الخلايا الشمسية النانوية إلى تحسن ملحوظ في كفاءة تحويل الطاقة للخلايا الشمسية SiNW من <1٪ إلى >17٪ في السنوات القليلة الماضية. [5]

إن قدرة أيونات الليثيوم على التداخل مع هياكل السيليكون تجعل العديد من هياكل السيليكون النانوية موضع اهتمام فيما يتعلق بتطبيقاتها كأنودات في بطاريات الليثيوم أيون (LiBs) . تتمتع أسلاك السيليكون النانوية بميزة خاصة باعتبارها أنودات لأنها تظهر القدرة على الخضوع لعملية تفاعل الليثيوم بشكل كبير مع الحفاظ على سلامة البنية والاتصال الكهربائي. [6]

تعتبر أسلاك السيليكون النانوية مولدات حرارية كهربائية فعالة لأنها تجمع بين الموصلية الكهربائية العالية، بسبب الخصائص الكلية للسيليكون المشوب، مع الموصلية الحرارية المنخفضة بسبب المقطع العرضي الصغير. [7]

ترانزستور تأثير المجال النانوي المصنوع من السيليكون (SiNWFET)

إن سلوك احتجاز الشحنة وخصائص النقل القابلة للضبط التي يتم التحكم فيها بواسطة السطح لأسلاك السيليكون النانوية تجعل هذه الفئة من البنى النانوية محل اهتمام للاستخدام كأشباه موصلات عازلة معدنية وترانزستورات تأثير المجال ، [8] حيث يكون السلك النانوي السيليكوني القناة الرئيسية لـ FET الذي يربط المصدر بمحطة الصرف، مما يسهل نقل الإلكترون بين الطرفين مع تطبيقات أخرى كأجهزة تخزين إلكترونية نانوية، [9] في ذاكرة الفلاش ، والأجهزة المنطقية بالإضافة إلى أجهزة الاستشعار الكيميائية والغازية والبيولوجية. [3] [10] [11]

منذ الإبلاغ عن SiNWFET لأول مرة في عام 2001، [12] فقد تسبب في قلق واسع النطاق في مجال الاستشعار، بسبب خصائصه الفيزيائية المتفوقة مثل قابلية الحركة العالية للناقل، [13] ونسبة تبديل التيار العالية، ومنحدر قريب من العتبة المثالية. علاوة على ذلك، فهو فعال من حيث التكلفة ويمكن تصنيعه على نطاق واسع، لأنه مدمج مع تقنية تصنيع CMOS. على وجه التحديد، في البحث البيولوجي، يتمتع SiNWFET بحساسية عالية وخصوصية للأهداف البيولوجية ويمكن أن يوفر اكتشافًا بدون علامات بعد تعديله بجزيئات بيولوجية صغيرة لتتناسب مع الكائن المستهدف. علاوة على ذلك، يمكن تصنيع SiNWFET في صفائف ووظيفتها بشكل انتقائي، مما يتيح الكشف والتحليل المتزامن لأهداف متعددة. [14] يمكن أن يحسن الكشف المتعدد بشكل كبير من إنتاجية وكفاءة الكشف البيولوجي.

توليف

هناك العديد من طرق التركيب المعروفة للأسلاك النانوية المصنوعة من السيليكون ويمكن تقسيمها على نطاق واسع إلى طرق تبدأ بالسيليكون السائب وإزالة المواد لإنتاج الأسلاك النانوية، والمعروفة أيضًا باسم التركيب من أعلى إلى أسفل، وطرق تستخدم مادة كيميائية أو مادة أولية بخارية لبناء الأسلاك النانوية في عملية تعتبر عمومًا تركيبًا من أسفل إلى أعلى. [3]

طرق التوليف من أعلى إلى أسفل

تستخدم هذه الطرق تقنيات إزالة المواد لإنتاج هياكل نانوية من مادة أولية بكميات كبيرة

  • الاستئصال بالليزر [3]
  • النقش بالحزمة الأيونية [15]
  • النمو بمساعدة أكسيد التبخر الحراري (OAG) [16]
  • الحفر الكيميائي بمساعدة المعدن (MaCE) [17]

طرق التوليف من الأسفل إلى الأعلى

الأكسدة الحرارية

بعد المعالجة الفيزيائية أو الكيميائية، إما من أعلى إلى أسفل أو من أسفل إلى أعلى، للحصول على هياكل نانوية أولية من السيليكون، غالبًا ما يتم تطبيق خطوات الأكسدة الحرارية من أجل الحصول على مواد بالحجم ونسبة العرض إلى الارتفاع المطلوبة. تُظهر أسلاك السيليكون النانوية سلوك أكسدة ذاتي التحديد مميز ومفيد حيث تتوقف الأكسدة بشكل فعال بسبب قيود الانتشار ، والتي يمكن نمذجتها. [1] تسمح هذه الظاهرة بالتحكم الدقيق في الأبعاد ونسب العرض إلى الارتفاع في أسلاك السيليكون النانوية وقد تم استخدامها للحصول على أسلاك سيليكون نانوية ذات نسبة عرض إلى ارتفاع عالية بأقطار أقل من 5 نانومتر. [19] الأكسدة ذاتية التحديد لأسلاك السيليكون النانوية ذات قيمة تجاه مواد بطاريات الليثيوم أيون.

التوقعات

هناك اهتمام كبير بـ SiNW لخصائصها الفريدة وقدرتها على التحكم في الحجم ونسبة العرض إلى الارتفاع بدقة كبيرة. حتى الآن، تعيق القيود المفروضة على التصنيع على نطاق واسع استخدام هذه المادة في النطاق الكامل للتطبيقات المدروسة. تهدف الدراسات المشتركة لطرق التوليف وحركية الأكسدة وخصائص أنظمة SiNW إلى التغلب على القيود الحالية وتسهيل تنفيذ أنظمة SiNW، على سبيل المثال، يمكن تمديد SiNW عالية الجودة المزروعة بالبخار والسائل والصلب ذات الأسطح الملساء بشكل عكسي بنسبة إجهاد مرنة تبلغ 10٪ أو أكثر، مما يقترب من الحد المرن النظري للسيليكون، مما قد يفتح الأبواب أمام "هندسة الإجهاد المرنة" الناشئة والإلكترونيات الحيوية / النانوية المرنة. [20]

مراجع

  1. ^ abc Liu, M.; Peng, J.; et al. (2016). "النمذجة ثنائية الأبعاد للأكسدة ذاتية التحديد في أسلاك السيليكون والتنغستن النانوية". رسائل الميكانيكا النظرية والتطبيقية . 6 (5): 195-199. arXiv : 1911.08908 . doi : 10.1016/j.taml.2016.08.002 .
  2. ^ يي، كوي؛ تشارلز م.، ليبر (2001). "الأجهزة الإلكترونية الوظيفية النانوية المجمعة باستخدام كتل بناء أسلاك السيليكون النانوية". ساينس . 291 (5505): 851–853. رمز Bibcode :2001Sci...291..851C. doi :10.1126/science.291.5505.851. PMID  11157160.
  3. ^ abcde Mikolajick, Thomas; Heinzig, Andre; Trommer, Jens; et al. (2013). "Silicon nanowires–a multiple technology platform". Physica Status Solidi RRL . 7 (10): 793–799. Bibcode :2013PSSRR...7..793M. doi :10.1002/pssr.201307247. S2CID  93989192.
  4. ^ Tsakalakos, L.; Balch, J.; Fronheiser, J.; Korevaar, B. (2007). "خلايا شمسية من أسلاك السيليكون النانوية". رسائل الفيزياء التطبيقية . 91 (23): 233117. Bibcode :2007ApPhL..91w3117T. doi :10.1063/1.2821113.
  5. ^ يو، بينج؛ وو، جيانج؛ ليو، شينتينج؛ شيونج، جيه؛ جاغاديش، تشينوباتي؛ وانج، زيمينج م. (2016-12-01). "تصميم وتصنيع أسلاك نانوية من السيليكون نحو خلايا شمسية فعالة" (PDF) . نانو توداي . 11 (6): 704-737. doi :10.1016/j.nantod.2016.10.001.
  6. ^ تشان، سي؛ بينج، إتش؛ وآخرون (2008). "أقطاب بطارية الليثيوم عالية الأداء باستخدام أسلاك السيليكون النانوية". تكنولوجيا النانو الطبيعية . 3 (1): 31-35. رمز Bibcode :2008NatNa...3...31C. doi :10.1038/nnano.2007.411. PMID  18654447.
  7. ^ زان، تيانتشو؛ ياماتو، ريو؛ هاشيموتو، شويتشيرو؛ توميتا، موتوهيرو؛ أوبا، شونسوكي؛ هيميدا، يويا؛ ميساكي، كوهي؛ تاكيزاوا، هيروكي؛ يوكوجاوا، ريو؛ شو، ييبين؛ ماتسوكاوا، تاكاشي؛ أوجورا، أتسوشي؛ كاماكورا، يوشيناري؛ واتانابي، تاكانوبو (2018). “مولد كهربائي حراري صغير مستوٍ من نوع Si-nanowire يستخدم المجال الحراري المنبعث لتوليد الطاقة”. علوم وتكنولوجيا المواد المتقدمة . 19 (1): 443-453. بيب كود :2018STAdM..19..443Z. دوى :10.1080/14686996.2018.1460177. بمك 5974757 . PMID  29868148. 
  8. ^ كوي، يي؛ زونغ، زهاوهوي؛ وانغ، ديلي؛ وانغ، واين يو؛ ليبر، تشارلز إم. (2003). "ترانزستورات تأثير المجال عالية الأداء من أسلاك السيليكون النانوية". رسائل النانو . 3 (2): 149-152. رمز Bibcode :2003NanoL...3..149C. CiteSeerX 10.1.1.468.3218 . doi :10.1021/nl025875l.  
  9. ^ تيان، بوزي؛ شياولين، تشنغ؛ وآخرون (2007). "أسلاك السيليكون النانوية المحورية كخلايا شمسية ومصادر طاقة نانوية إلكترونية". نيتشر . 449 (7164): 885-889. رمز Bibcode :2007Natur.449..885T. doi :10.1038/nature06181. PMID  17943126. S2CID  2688078.
  10. ^ دانيال، شير؛ وآخرون (2006). "أكسدة أسلاك السيليكون النانوية". مجلة علوم الفراغ والتكنولوجيا . 24 (3): 1333-1336. رمز Bibcode :2006JVSTB..24.1333S. doi :10.1116/1.2198847.
  11. ^ Hu, Qitao; Solomon, Paul; Österlund, Lars; Zhang, Zhen (2024-06-19). "استشعار الغاز القائم على الترانزستور النانوي بحساسية عالية قياسية ممكّنة من خلال تأثير احتجاز الإلكترون في الجسيمات النانوية". Nature Communications . 15 (1). doi :10.1038/s41467-024-49658-3. ISSN  2041-1723.
  12. ^ Y, Cui (2001). "مستشعرات نانوية سلكية للكشف عالي الحساسية والانتقائي عن الأنواع البيولوجية والكيميائية". العلوم . 293 (5533): 1289-1292. doi :10.1126/science.1062711.
  13. ^ سونغ، واي (2022). "ترانزستورات التأثير الميداني عالية الأداء المصنوعة من أسلاك السيليكون النانوية القابلة للتمدد بشكل كبير والمدمجة على ركائز مطاطية". مجلة العلوم المتقدمة . doi :10.1002/advs.202105623.
  14. ^ Gao, A. (2017). "الكشف المتعدد عن العلامات الحيوية لسرطان الرئة في مصل المرضى باستخدام صفائف الأسلاك النانوية السيليكونية المتوافقة مع CMOS". Biosens. Bioelectron . 91 (15): 482-488. doi :10.1016/j.bios.2016.12.07.
  15. ^ هوانج، ز.؛ فانغ، هـ.؛ تشو، ج. (2007). "تصنيع صفائف أسلاك نانوية من السيليكون بقطر وطول وكثافة متحكم فيهما". المواد المتقدمة . 19 (5): 744-748. doi :10.1002/adma.200600892. S2CID  136639488.
  16. ^ abc Shao, M.; Duo Duo Ma, D.; Lee, ST (2010). "أسلاك السيليكون النانوية - التركيب والخصائص والتطبيقات". المجلة الأوروبية للكيمياء غير العضوية . 2010 (27): 4264-4278. doi :10.1002/ejic.201000634.
  17. ^ هوانغ، زيبينج؛ جايير، نادين؛ فيرنر، بيتر؛ بور، يوهانس دي؛ جوسيل، أولريش (2011). "النقش الكيميائي بمساعدة المعدن للسيليكون: مراجعة". المواد المتقدمة . 23 (2): 285-308. doi :10.1002/adma.201001784. ISSN  1521-4095. PMID  20859941. S2CID  205237664.
  18. ^ هولمز، جيه؛ كيث، بي؛ جونستون، آر؛ دوتي، سي (2000). "التحكم في سمك واتجاه أسلاك السيليكون النانوية المزروعة في المحلول". ساينس . 287 (5457): 1471–1473. رمز Bibcode :2000Sci...287.1471H. doi :10.1126/science.287.5457.1471. PMID  10688792.
  19. ^ Liu, HI; Biegelsen, DK; Ponce, FA; Johnson, NM; Pease, RFW (1994). "الأكسدة ذاتية التحديد لتصنيع أسلاك نانوية من السيليكون بسمك أقل من 5 نانومتر". رسائل الفيزياء التطبيقية . 64 (11): 1383. Bibcode :1994ApPhL..64.1383L. doi :10.1063/1.111914.
  20. ^ Zhang, H.; Tersoff, J.; Xu, S.; et al. (2016). "Approaching the ideal elastic strain limit in silicon nanowires". Science Advances . 2 (8): e1501382. Bibcode :2016SciA....2E1382Z. doi :10.1126/sciadv.1501382. PMC 4988777. PMID  27540586 . 
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=سلك_نانو_سيليكون&oldid=1252002888"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate