發(fā)布時(shí)間：2020-05-11 21:47

【摘要】：自組裝生長(zhǎng)半導(dǎo)體硅納米線(Silicon nanowires,SiNWs)憑借其獨(dú)特的形貌結(jié)構(gòu)、光電吸收和輸運(yùn)特性,有望成為研發(fā)新一代高性能大面積薄膜電子器件的核心材料,在新型柔性顯示、生物醫(yī)學(xué)傳感、環(huán)境檢測(cè)和邏輯存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有十分巨大的應(yīng)用潛力,因而長(zhǎng)期以來一直受到廣泛而深入的研究。然而,目前限制其規(guī)�；瘧�(yīng)用的主要限制因素來源于:如何實(shí)現(xiàn)自組裝硅納米線的大面積可控制備、精確定位和可靠集成。另一方面,在日益興起的大面積、柔性/可拉伸電子領(lǐng)域(如可穿戴電子、柔性顯示、仿生電子和人造皮膚等新型應(yīng)用),作為現(xiàn)代微電子技術(shù)核心的晶硅材料卻因其堅(jiān)硬和脆性的本質(zhì)無法直接應(yīng)用。即便是準(zhǔn)一維的晶硅納米線,也僅僅獲得了增強(qiáng)的可彎曲特性,依然難以實(shí)現(xiàn)足夠的可拉伸特性。此時(shí),如何發(fā)掘晶硅納米線自組裝生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)中的豐富調(diào)控參量和潛力,發(fā)展一種新型的可定制硅納米線精控生長(zhǎng)技術(shù),從而可靠地宏量制備形貌可編程的晶硅納米線結(jié)構(gòu),將對(duì)研發(fā)新一代高性能硅基微納電子器件和柔性/可拉伸電子應(yīng)用具有非常重要的意義。本論文工作主要圍繞一種全新的平面固-液-固(in-plane solid-liquid-solid,IPSLS)硅納米線生長(zhǎng)模式,即利用銦(In)、錫(Sn)等低熔點(diǎn)催化金屬液滴吸收覆蓋在襯底表面的非晶硅薄膜,從而在其平面運(yùn)動(dòng)過程中生長(zhǎng)出晶態(tài)的硅納米線結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)的氣液固(vapor-liquid-solid,VLS)生長(zhǎng)模式,IPSLS生長(zhǎng)模式具有獨(dú)特的生長(zhǎng)界面相互作用,以及十分豐富的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過程和調(diào)控新參量。本論文首先深入研究了 IPSLS生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)中的新穎界面應(yīng)力調(diào)控機(jī)理,以實(shí)現(xiàn)對(duì)平面硅納米線的可編程形貌調(diào)控,制備了兩種形貌特殊的硅納米線結(jié)構(gòu)—直徑周期性調(diào)制的島鏈狀(island-chain)結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)方向周期振蕩的自發(fā)彈簧線(zigzag)結(jié)構(gòu)。然后,利用平面硅納米線的精確引導(dǎo)生長(zhǎng)定位技術(shù),實(shí)現(xiàn)了大面積的平面硅納米線陣列,制備了高性能硅納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件。最后,還進(jìn)一步發(fā)展了平面硅納米線的精確可編程形貌調(diào)控策略,制備了可拉伸性200%的晶硅納米線彈簧陣列,為探索高性能柔性/可拉伸晶硅電子器件奠定了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。具體而言,本博士論文工作的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)可概括為以下四個(gè)方面:1、提出并實(shí)現(xiàn)了一種可編程的晶硅納米線周期性形貌調(diào)控技術(shù)。借助于金屬納米液滴的自驅(qū)動(dòng)生長(zhǎng)和前后相互制約的柔性“固-液”生長(zhǎng)界面,在350℃的低溫下,“塑造”生長(zhǎng)出周期性的島鏈狀(island-chain)晶硅納米線結(jié)構(gòu),其等效于在高溫環(huán)境中表面能驅(qū)使下發(fā)生的Plateau-Rayleigh(P-R)不穩(wěn)定轉(zhuǎn)變。結(jié)合精確引導(dǎo)生長(zhǎng)技術(shù),還可實(shí)現(xiàn)island-chain硅納米線的精確定向和定位生長(zhǎng),為進(jìn)一步器件集成打下了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上,還進(jìn)一步研究了利用等離子體對(duì)非晶硅層進(jìn)行預(yù)處理新工藝,極大地提高island-chain結(jié)構(gòu)的產(chǎn)率。相關(guān)工作以第一作者發(fā)表在《Nature Communications》,2016年,7卷,29期,DOI:10.1038/ncomms128362、發(fā)現(xiàn)了一種平面限制的自發(fā)Zigzag振蕩晶硅納米線生長(zhǎng)模式,并通過原位力學(xué)拉伸測(cè)試驗(yàn)證了具可承受12%的彈性形變(遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)體硅材料)。同時(shí),在生長(zhǎng)機(jī)理研究方面,借助于SEM原位實(shí)時(shí)觀測(cè)和高分辨電鏡(HR-TEM)技術(shù),發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的自發(fā)生長(zhǎng)振蕩動(dòng)態(tài),以及新奇的“降晶格指數(shù)”偏轉(zhuǎn)序列和自發(fā)孿晶切換的內(nèi)稟晶格結(jié)構(gòu),并建立了相應(yīng)的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)描述模型。相關(guān)工作以第一作者發(fā)表在《Advanced Functional Materials》,2016年,26卷,29 期,DOI:10.1002/adfm.2016007803、深入研究了平面硅納米線的可靠引導(dǎo)生長(zhǎng)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了高成功率的平面硅納米線大面積可控陣列化生長(zhǎng),成功制備了基于平面硅納米線陣列的大面積高性能的薄膜晶體管器件(TFTs),實(shí)現(xiàn)了較高的電流開關(guān)比～106,空穴遷移率大于100 cm2/Vs。為批量制備大面積高遷移率的硅納米線薄膜電子器件提供了關(guān)鍵基礎(chǔ),并有望在大面積平板顯示實(shí)現(xiàn)高性能鰭形薄膜晶體管(fin-TFT)應(yīng)用。相關(guān)工作以共同一作發(fā)表在《Nanoscale》,2017年,9卷,29期,DOI:10.1039/C7NR02825C4、提出了一種精確線形可編程的平面納米線形貌調(diào)控技術(shù),在低于350℃下批量制備硅納米線彈簧/圖案陣列。通過對(duì)關(guān)鍵生長(zhǎng)參數(shù)的調(diào)控,實(shí)現(xiàn)了在各種圖案邊緣的可靠引導(dǎo)生長(zhǎng)和宏量制備。利用HR-TEM對(duì)硅納米線進(jìn)行晶態(tài)表征,證明其具有較好的類單晶硅結(jié)構(gòu)。成功制備了大面積可拉伸的晶硅納米線彈簧結(jié)構(gòu),通過原位SEM操作和同步電學(xué)測(cè)試,驗(yàn)證其在200%的彈性形變下依然能保持了正常導(dǎo)電特性。有望突破長(zhǎng)期以來限制晶硅材料在可拉伸電子應(yīng)用中所面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,從而開發(fā)新一代高性能、高穩(wěn)定性的柔性晶硅可拉伸器件。相關(guān)工作以第一作者發(fā)表在《Nano Letters》,2017年,17卷,12期DOI:10.1021/acs.nanolett.7b03658
【圖文】：

逡逑己開始在尋找能夠適應(yīng)未來發(fā)展要求的新制造技術(shù)方案，提出了一種全新的逡逑“Ｂｏｔｔｏｍ－Ｕｐ”（自下而上）組裝的方法，如下圖１．１示意圖所示，即從原子或逡逑分子水平上開始，若干個(gè)體利用其相互作用“組裝”成基本單元進(jìn)而構(gòu)建出器件，逡逑這一過程是自動(dòng)的、自發(fā)的，不需要昂貴的極高精度的光刻、刻蝕等加工設(shè)備［１７－逡逑２０］。目前，自組裝的納米基元主要有零維的量子點(diǎn)，一維的納米線、納米管和逡逑二維材料等。從一定角度上來說，“Ｂｏｔｔｏｍ－Ｕｐ”自組裝的方法是在現(xiàn)有納米技逡逑術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上提出的一種新的低成本制備電子器件、光電器件、傳感器等的方逡逑法。逡逑１逡逑２逡逑

ｒａｂａｒ以下）的ＭＢＥ系統(tǒng)腔室中，將硅的單質(zhì)以氣態(tài)硅原子的形式蒸鍍到催化金逡逑屬（如Ａｕ）納米顆粒所在的襯底上，然后基于上文中提到的ＶＬＳ的生長(zhǎng)機(jī)制，由逡逑金屬納米顆粒催化誘導(dǎo)生長(zhǎng)硅納米線。ＭＢＥ系統(tǒng)合成硅納米線過程如下圖１．邋３（ａ）逡逑示意圖所示，圖１．３邋（ｂ）為ＭＢＥ合成的硅納米線的ＳＥＭ形貌圖。逡逑ＨＩ邋Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋Ｂｅａｍ邋Ｉ－ｐ？Ｕｉｘｙ逡逑ｔW逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN36

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 Zhaoguo Xue;Taige Dong;Zhimin Zhu;Yaolong Zhao;Ying Sun;Linwei Yu;;Engineering in-plane silicon nanowire springs for highly stretchable electronics[J];Journal of Semiconductors;2018年01期

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本文編號(hào)：2659117