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.
- Ablación con rayo láser [3]
- Grabado con haz de iones [11]
- Crecimiento asistido por óxidos por evaporación térmica (OAG) [12]
- Grabado químico asistido por metal (MaCE) [13]
Métodos de síntesis ascendente
- Crecimiento vapor-líquido-sólido (VLS) : un tipo de CVD catalizado que a menudo utiliza silano como precursor de Si y nanopartículas de oro como catalizador (o "semilla"). [3]
- Epitaxia de haz molecular : una forma de PVD aplicada en un ambiente de plasma [12]
- Precipitación de una solución: una variación del método VLS, acertadamente llamado fluido supercrítico líquido sólido (SFLS), que utiliza un fluido supercrítico (por ejemplo, organosilano a alta temperatura y presión) como precursor de Si en lugar de vapor. El catalizador sería un coloide en solución, como nanopartículas de oro coloidal , y los SiNW se cultivan en esta solución [12] [14]
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
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