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Nanocables de silicio

Los nanocables de silicio , también conocidos como SiNW , son un tipo de nanocables semiconductores formados con mayor frecuencia a partir de un precursor de silicio mediante grabado de un sólido o mediante crecimiento catalizado a partir de una fase líquida o de vapor. Estos nanocables tienen aplicaciones prometedoras en baterías de iones de litio, termoeléctricos y sensores . La síntesis inicial de SiNW suele ir acompañada de pasos de oxidación térmica para producir estructuras de tamaño y morfología personalizados 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 casi 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 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 , termoeléctrica y memoria no volátil. [3]

Aplicaciones

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 en masa. [1]

Los SiNW exhiben un comportamiento de captura de carga que hace que dichos sistemas sean valiosos en aplicaciones que requieren separación de huecos de electrones, como la energía fotovoltaica y los fotocatalizadores. [4] Un experimento reciente con 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 gobernadas por la superficie sintonizable 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 aplicaciones adicionales como dispositivos de almacenamiento nanoelectrónicos, [7] en memoria flash , dispositivos lógicos como así como sensores químicos y biológicos. [3] [8]

La capacidad de los iones de litio para intercalarse en 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 mérito como 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 masivas del Si dopado, con una baja conductividad térmica debido a la pequeña sección transversal. [10]

Síntesis

Se conocen varios métodos de síntesis para SiNW y estos se pueden dividir en términos generales en métodos que comienzan con silicio en masa y eliminan material para producir nanocables, también conocido como síntesis de arriba hacia abajo, y métodos que utilizan un precursor químico o de vapor para construir nanocables en un proceso. generalmente se considera una síntesis ascendente. [3]

Métodos de síntesis de arriba hacia abajo

Estos métodos utilizan técnicas de eliminación de material para producir nanoestructuras a partir de un precursor a granel.

Métodos de síntesis ascendente

Oxidación térmica

Después del procesamiento físico o químico, ya sea de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba, para obtener nanoestructuras iniciales de silicio, 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 autolimitado distintivo y útil mediante el cual la oxidación cesa efectivamente debido a limitaciones de difusión , que pueden modelarse. [1] Este fenómeno permite un control preciso de las dimensiones y relaciones de aspecto en SiNW y se ha utilizado para obtener SiNW de alta relación de aspecto con diámetros inferiores a 5 nm. [15] La oxidación autolimitada de SiNW es valiosa para los materiales de baterías de iones de litio.

panorama

Existe un gran interés en los SiNW por sus propiedades únicas y la capacidad de 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 toda la gama 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 reversiblemente con un 10%. o una deformación más elástica, acercándose al límite elástico teórico del silicio, lo que podría abrir las puertas a la emergente "ingeniería de deformación elástica" y a la bio/nanoelectrónica flexible. [dieciséis]

Referencias

  1. ^ abc Liu, M.; Peng, J.; et al. (2016). "Modelado bidimensional de la oxidación autolimitante en nanocables de silicio y tungsteno". Cartas de Mecánica Teórica y Aplicada . 6 (5): 195-199. arXiv : 1911.08908 . doi : 10.1016/j.taml.2016.08.002 .
  2. ^ Yi, Cui; Charles M., Lieber (2001). "Dispositivos electrónicos funcionales a nanoescala ensamblados utilizando bloques de construcción de nanocables de silicio". Ciencia . 291 (5505): 851–853. Código Bib : 2001 Ciencia... 291..851C. doi : 10.1126/ciencia.291.5505.851. PMID  11157160.
  3. ^ abcde Mikolajick, Thomas; Heinzig, André; Trommer, Jens; et al. (2013). "Nanocables de silicio: una plataforma tecnológica versátil". Estado físico Solidi RRL . 7 (10): 793–799. Código Bib : 2013PSSRR...7..793M. doi :10.1002/pssr.201307247. S2CID  93989192.
  4. ^ Tsakalakos, L.; Balch, J.; Fronheiser, J.; Korevaar, B. (2007). "Células solares de nanocables de silicio". Letras de Física Aplicada . 91 (23): 233117. Código bibliográfico : 2007ApPhL..91w3117T. doi : 10.1063/1.2821113.
  5. ^ Yu, Peng; Wu, Jiang; Liu, Shenting; Xiong, Jie; Jagadish, Chennupati; Wang, Zhiming M. (1 de diciembre de 2016). "Diseño y fabricación de nanocables de silicio hacia células solares eficientes" (PDF) . Nano hoy . 11 (6): 704–737. doi :10.1016/j.nantod.2016.10.001.
  6. ^ Cui, Yi; Zhong, Zhaohui; Wang, Deli; Wang, Wayne U.; Lieber, Charles M. (2003). "Transistores de efecto de campo de nanocables de silicio de alto rendimiento". Nano Letras . 3 (2): 149-152. Código Bib : 2003NanoL...3..149C. CiteSeerX 10.1.1.468.3218 . doi :10.1021/nl025875l. 
  7. ^ Tian, ​​Bozhi; Xiaolin, Zheng; et al. (2007). "Nanocables de silicio coaxiales como células solares y fuentes de energía nanoelectrónica". Naturaleza . 449 (7164): 885–889. Código Bib :2007Natur.449..885T. doi : 10.1038/naturaleza06181. PMID  17943126. S2CID  2688078.
  8. ^ Daniel, Shir; et al. (2006). "Oxidación de nanocables de silicio". Revista de ciencia y tecnología del vacío . 24 (3): 1333-1336. Código Bib : 2006JVSTB..24.1333S. doi :10.1116/1.2198847.
  9. ^ Chan, C.; Peng, H.; et al. (2008). "Ánodos de batería de litio de alto rendimiento que utilizan nanocables de silicio". Nanotecnología de la naturaleza . 3 (1): 31–35. Código bibliográfico : 2008NatNa...3...31C. doi :10.1038/nnano.2007.411. PMID  18654447.
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  11. ^ Huang, Z.; Colmillo, H.; Zhu, J. (2007). "Fabricación de matrices de nanocables de silicio con diámetro, longitud y densidad controlados". Materiales avanzados . 19 (5): 744–748. doi :10.1002/adma.200600892. S2CID  136639488.
  12. ^ abc Shao, M.; Duo Duo Ma, D.; Lee, ST (2010). "Nanocables de silicio: síntesis, propiedades y aplicaciones". Revista europea de química inorgánica . 2010 (27): 4264–4278. doi :10.1002/ejic.201000634.
  13. ^ Huang, Zhipeng; Geyer, Nadine; Werner, Pedro; Boor, Johannes de; Gösele, Ulrich (2011). "Grabado químico de silicio asistido por metal: una revisión". Materiales avanzados . 23 (2): 285–308. doi :10.1002/adma.201001784. ISSN  1521-4095. PMID  20859941. S2CID  205237664.
  14. ^ Holmes, J.; Keith, P.; Johnston, R.; Doty, C. (2000). "Control de espesor y orientación de nanocables de silicio cultivados en solución". Ciencia . 287 (5457): 1471-1473. Código Bib : 2000 Ciencia... 287.1471H. doi : 10.1126/ciencia.287.5457.1471. PMID  10688792.
  15. ^ Liu, Hola; Biegelsen, DK; Ponce, FA; Johnson, Nuevo México; Pease, RFW (1994). "Oxidación autolimitante para la fabricación de nanocables de silicio de menos de 5 nm". Letras de Física Aplicada . 64 (11): 1383. Código bibliográfico : 1994ApPhL..64.1383L. doi :10.1063/1.111914.
  16. ^ Zhang, H.; Tersoff, J.; Xu, S.; et al. (2016). "Acercándose al límite de deformación elástica ideal en nanocables de silicio". Avances científicos . 2 (8): e1501382. Código Bib : 2016SciA....2E1382Z. doi :10.1126/sciadv.1501382. PMC 4988777 . PMID  27540586.