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Los nanocables de silicio , también denominados SiNW , son un tipo de nanocables semiconductores que se forman con mayor frecuencia a partir de un precursor de silicio mediante el grabado de un sólido o mediante el crecimiento catalizado a partir de una fase líquida o de vapor. Estos nanocables tienen aplicaciones prometedoras en baterías de iones de litio, termoelectricidad y sensores . La síntesis inicial de SiNW suele ir acompañada de pasos de oxidación térmica para producir estructuras de tamaño y morfología adaptados con precisión. [1]
Los SiNW tienen propiedades únicas que no se observan en materiales de silicio a granel (tridimensionales). Estas propiedades surgen de una estructura electrónica cuasi unidimensional inusual y son objeto de investigación en numerosas disciplinas y aplicaciones. La razón por la que los SiNW se consideran uno de los materiales unidimensionales más importantes es que podrían tener una función como bloques de construcción para la electrónica a nanoescala ensamblada sin la necesidad de instalaciones de fabricación complejas y costosas. [2] Los SiNW se estudian con frecuencia para aplicaciones que incluyen energía fotovoltaica , baterías de nanocables , termoelectricidad y memoria no volátil. [3]
Debido a sus propiedades físicas y químicas únicas, los nanocables de silicio son un candidato prometedor para una amplia gama de aplicaciones que se basan en sus características fisicoquímicas únicas, que difieren de las del material de silicio a granel. [1]
Los SiNW exhiben un comportamiento de atrapamiento de carga que hace que estos sistemas sean valiosos en aplicaciones que requieren separación de huecos de electrones, como la energía fotovoltaica y los fotocatalizadores. [4] Un experimento reciente sobre células solares de nanocables ha llevado a una mejora notable de la eficiencia de conversión de energía de las células solares de SiNW de <1% a >17% en los últimos años. [5]
El comportamiento de captura de carga y las propiedades de transporte reguladas por superficie ajustable de los SiNW hacen que esta categoría de nanoestructuras sea de interés para su uso como semiconductores aislantes metálicos y transistores de efecto de campo , [6] con otras aplicaciones como dispositivos de almacenamiento nanoelectrónico, [7] en memoria flash , dispositivos lógicos , así como sensores químicos y biológicos. [3] [8]
La capacidad de los iones de litio de intercalarse en las estructuras de silicio hace que varias nanoestructuras de Si sean de interés para aplicaciones como ánodos en baterías de iones de litio (LiB) . Los SiNW son de particular utilidad como tales ánodos, ya que exhiben la capacidad de sufrir una litiación significativa mientras mantienen la integridad estructural y la conectividad eléctrica. [9]
Los nanocables de silicio son generadores termoeléctricos eficientes porque combinan una alta conductividad eléctrica, debido a las propiedades en masa del Si dopado, con una baja conductividad térmica debido a la pequeña sección transversal. [10]
Se conocen varios métodos de síntesis de SiNW y estos pueden dividirse en métodos que comienzan con silicio a granel y eliminan material para producir nanocables, también conocidos como síntesis de arriba hacia abajo, y métodos que utilizan un precursor químico o de vapor para construir nanocables en un proceso generalmente considerado como síntesis de abajo hacia arriba. [3]
Estos métodos utilizan técnicas de eliminación de material para producir nanoestructuras a partir de un precursor a granel.
Posteriormente al procesamiento físico o químico, ya sea de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba, para obtener nanoestructuras de silicio iniciales, a menudo se aplican pasos de oxidación térmica para obtener materiales con el tamaño y la relación de aspecto deseados. Los nanocables de silicio exhiben un comportamiento de oxidación autolimitante distintivo y útil mediante el cual la oxidación cesa efectivamente debido a limitaciones de difusión , que se pueden modelar. [1] Este fenómeno permite un control preciso de las dimensiones y las relaciones de aspecto en los SiNW y se ha utilizado para obtener SiNW de alta relación de aspecto con diámetros inferiores a 5 nm. [15] La oxidación autolimitante de los SiNW es valiosa para los materiales de baterías de iones de litio.
Los SiNW despiertan un gran interés por sus propiedades únicas y por su capacidad para controlar el tamaño y la relación de aspecto con gran precisión. Hasta el momento, las limitaciones en la fabricación a gran escala impiden la adopción de este material en la gama completa de aplicaciones investigadas. Los estudios combinados de métodos de síntesis, cinética de oxidación y propiedades de los sistemas de SiNW tienen como objetivo superar las limitaciones actuales y facilitar la implementación de sistemas de SiNW; por ejemplo, los SiNW de alta calidad cultivados en vapor-líquido-sólido con superficies lisas se pueden estirar de forma reversible con un 10 % o más de deformación elástica, acercándose al límite elástico teórico del silicio, lo que podría abrir las puertas a la emergente “ingeniería de deformación elástica” y a la bioelectrónica/nanoelectrónica flexible. [16]