Кремниевая нанотрубка - Silicon nanotube

Нанотрубка Si (вверху), созданная путем частичного травления покрытой Si нанопроволоки ZnO (внизу).[1]
Нанотрубки Si, созданные травлением покрытых Si нанопроволок ZnO.
Нанотрубки Si, полученные с использованием углеродного шаблона. По часовой стрелке: углеродное волокно; углеродное волокно, покрытое силиконом; трубка из оксида кремния, остающаяся после удаления угольной сердцевины; покрытие оксида кремния поликристаллическим кремнием. Масштабные полосы 200 нм

Кремниевые нанотрубки находятся наночастицы которые создают трубчатую структуру из кремний атомы. Как и с кремниевые нанопроволоки, они имеют технологическое значение из-за своих необычных физических свойств, которые принципиально отличаются от свойств объемного кремния.[2] Первые сообщения о кремниевых нанотрубках появились примерно в 2000 году.[3]

Синтез

Один из методов получения кремниевых нанотрубок - это использование реактора с электрическая дуга без использования каких-либо катализатор.[4] Для обеспечения чистоты реактор вакуумируется и заполняется инертным благородный газ аргон. Фактическое формирование нанотрубок зависит от процесса химическое осаждение из паровой фазы.[5]

Более распространенный лабораторный метод включает использование германий, углерод или оксид цинка нанопроволоки как шаблон. Кремний, обычно поступающий из силан или же тетрахлорид кремния Затем газ осаждается на нанопроволоки, и ядро ​​растворяется, оставляя после себя силиконовую трубку.[6] Рост темплатных нанопроволок, осаждение кремния и травление нанопроволоки и, следовательно, геометрия получаемых нанотрубок Si могут точно контролироваться вторым методом; однако наименьший внутренний диаметр ограничен десятками нанометров.[1]

Обычный пар-жидкость-твердое тело (VLS ) и механизмы твердое-жидкое-твердое (SLS) являются излюбленными методами выращивания одномерных кремниевых наноструктур. Однако они обычно включают только один тип металла, как катализатор и поэтому не могут быть использованы для выращивания трубчатых (полых) кремниевых наноструктур. В недавней попытке был использован двухслойный каталитический слой никель-золото, чтобы воспользоваться преимуществом неравномерной скорости роста составляющих металлических катализаторов. Используя эти модифицированные методы VLS и SLS, были выращены многослойные кремниевые нанотрубки с толщиной боковой стенки в несколько нанометров.[7]

Приложения

В результате Баллистическая проводимость, кремниевые нанотрубки и нанопровода были рассмотрены для использования в электронике, например в термоэлектрические генераторы.[8] Поскольку структура может вместить молекулы водород так что он может напоминать уголь без CO2, похоже, что кремниевые наноматериалы могут вести себя как металлическое топливо.[9][10] Кремниевая нанотрубка, заряженная водород доставляет энергию и при этом оставляет остаточную воду, этанол, кремний и песок. Однако, как производство водорода требует значительных затрат энергии, это всего лишь предлагаемый метод хранения энергии, а не ее производства.

Кремниевые нанотрубки и кремниевые нанопроволоки может использоваться в литий-ионные батареи. В обычных литий-ионных батареях в качестве анода используется графитовый углерод, но замена его кремниевыми нанотрубками экспериментально увеличивает удельную (по массе) емкость анода в 10 раз (хотя общее улучшение емкости ниже из-за гораздо более низкой удельной емкости катода) .[11]

Еще одним новым применением кремниевых нанотрубок является световое излучение. Поскольку кремний - это непрямая запрещенная зона полупроводник, квантовый выход излучательная рекомбинация в этом материале очень мало. Поскольку толщина наноструктур на основе кремния уменьшается ниже эффективной Радиус Бора (около 9 нм, в кремнии) квантовая эффективность излучения света этим материалом увеличивается из-за эффекта квантового ограничения. На основе этого факта была продемонстрирована фотоэмиссионная способность кремниевых нанотрубок с очень тонкими боковыми стенками.[7]

Рекомендации

  1. ^ а б Хуанг, Сюэчжэнь; Гонсалес-Родригес, Роберто; Рич, Райан; Грычинский, Зигмунт; Сундук, Джеффри Л. (2013). «Изготовление и зависящие от размера свойства массивов пористых кремниевых нанотрубок». Химические коммуникации. 49 (51): 5760. Дои:10.1039 / C3CC41913D. PMID  23695426.
  2. ^ Mu, C .; Zhao, Q .; Xu, D .; Zhuang, Q .; Шао, Ю. (2007). "Массив кремниевых нанотрубок / золотой электрод для прямой электрохимии цитохрома c". Журнал физической химии B. 111 (6): 1491. Дои:10.1021 / jp0657944.
  3. ^ Кирикси, Имре; Фудала, Агнес; Конья, Золтан; Эрнади, Клара; Ленц, Патрик; Надь, Янош Б. (2000). «Преимущества озонирования при изготовлении трубчатых кремнеземных конструкций». Прикладной катализ A: Общие. 203: L1. Дои:10.1016 / S0926-860X (00) 00563-9.
  4. ^ De Crescenzi, M .; Castrucci, P .; Scarselli, M .; Diociaiuti, M .; Chaudhari, P. S .; Balasubramanian, C .; Bhave, T. M .; Бхораскар, С. В. (2005). «Экспериментальная визуализация кремниевых нанотрубок». Письма по прикладной физике. 86 (23): 231901. Дои:10.1063/1.1943497.
  5. ^ Sha, J .; Niu, J .; Максимум.; Xu, J .; Чжан, X .; Ян, Q .; Ян Д. (2002). «Кремниевые нанотрубки». Современные материалы. 14 (17): 1219. Дои:10.1002 / 1521-4095 (20020903) 14:17 <1219 :: AID-ADMA1219> 3.0.CO; 2-T.
  6. ^ Мошит, Ишай; Патольский, Фернандо (2009). "Монокристаллический кремний и SiGe-нанотрубки с контролируемой формой и размерами: к наножидкостным устройствам на полевых транзисторах". Журнал Американского химического общества. 131 (10): 3679–3689. Дои:10.1021 / ja808483t.
  7. ^ а б Тагинеджад, Мохаммад; Тагинеджад, Хоссейн (2012). «Техника разработки двухслойных никель-золотых катализаторов для самоорганизованного роста высокоупорядоченных кремниевых нанотрубок (SiNT)». Нано буквы. 13 (3): 889–897. Дои:10.1021 / nl303558f.
  8. ^ Мората, Алекс; Pacios, Mercè; Гадеа, Жерар; Флокс, Кристина; Кадавид, Дорис; Кабот, Андреу; Таранкон, Альберт (2018). «Термоэлектрические наноматериалы на основе кремния с большой площадью адаптируемого электропрядения с высокой эффективностью преобразования энергии». Nature Communications. 9 (1). Дои:10.1038 / s41467-018-07208-8. ISSN  2041-1723. ЧВК  6232086.
  9. ^ Цзэн, Сяо Чэн; Танака, Хидеки (10 мая 2004 г.). «Ученые моделируют кремниевые нанотрубки, которые кажутся металлами (нанотехнология AzO)». AZoNano.
  10. ^ Бардсли, Эрл (апрель 2009 г.). «Песочный вариант: энергия из кремния» (PDF). Обзор исследований и разработок в Австралии.
  11. ^ McDermott, Mat. (2009-09-23) Прорыв в литий-ионных аккумуляторах: увеличение емкости кремниевых нанотрубок в 10 раз. Дерево Hugger. Проверено 13 ноября 2015.

внешняя ссылка