纳米硅材料

一般认为，当硅材料的尺寸在1nm至数十纳米时，可以被称为“纳米硅”材料，包括硅纳米颗粒(Si Quantum Dots)、硅纳米线(Si Nanowire)、硅纳米管(Si Nanotube)和硅纳米带(Si Nanobelt) 等。纳米硅是当前国际上硅材料研究的一个热点，由于其优异的光电特性、无毒性，以及和现有硅集成电路工艺良好的兼容性，未来纳米硅可以应用在集成电路、生物成像、锂离子电池、太阳能光伏、发光器件、探测器等领域。

不同结构的硅纳米材料，其制备方法、性质和应用都不相同。

(1)硅纳米颗粒:又称硅量子点。硅纳米颗粒是主要的纳米硅结构之一，它有两种存在形式，一种是独立存在的硅纳米颗粒，另一种是镶嵌在介质 (如氧化硅或氮化硅等)中的纳米硅颗粒。当硅纳米颗粒尺寸进一步变小，小于激子波尔(Bohr) 半径4.9nm时，由于量子限域(Quantum Confinemet)效应、表面效应和多激子效应等原因，硅纳米颗粒呈现出更多与体材料不同的性质。例如，由于量子限域效应，硅纳米颗粒中的载流子的运动会受到限制，随着其尺寸的减小，其能隙(Energy Gap)变宽。

独立存在的硅纳米颗粒可以利用硅粉球磨法、液相法或气相法等方法制备，其中硅烷气相热分解技术是制备独立存在的硅纳米颗粒的最常用的方法;利用激光、冷等离子体、高温气溶胶等辅助技术，可以实现批量、粒径可控的硅纳米颗粒的制备。

镶嵌在介质中的纳米硅颗粒可以利用激光烧蚀法、溅射沉积法、等离子化学气相沉积法和反应蒸发法等薄膜制备技术制备( 主要镶嵌在二氧化硅薄膜中)。例如，在制备二氧化硅薄膜的过程中，同时沉积非晶硅纳米颗粒，然后将非晶硅纳米颗粒晶化，形成二氧化硅镶嵌硅纳米颗粒。

(2)硅纳米线:硅纳米线可以作为纳电子器件的结构单元，也可以用于制作太阳电池、化学和生物传感器等器件。

硅纳米线可以利用物理蒸发、物理溅射、物理刻蚀、化学气相沉积、化学腐蚀(化学刻蚀)和溶液法等多种技术制备，其中化学气相沉积和化学腐蚀是主要采用的技术方法。利用CVD制备硅纳米线时，一般利用SiH4和SiCl4,等硅源气体在高温下分解，然后在置有Fe/Co/Ni/Au 等金属催化剂的硅片上形成;通过控制SiH4等硅源气体的浓度和流量、反应温度、反应时间和金属催化剂的颗粒大小等因素，可以控制硅纳米线的直径和长度，其生长机理是气一固一液(VSL)生长模型。化学腐蚀(刻蚀)则是将硅片放置在含有贵金属离子(如银离子)的氢氟酸溶液中，或者将表面沉积金属(金，银)薄膜的硅片浸入含有氧化剂(如硝酸铁、双氧水等)的氢氟酸溶液中进行刻蚀，从而在硅表面产生选择性腐蚀，形成大面积定向排布的硅纳米线阵列。

(3)硅纳米管:纳米硅管也可以作为纳电子器件的结构单元，其载流子迁移率远高于硅纳米线。与硅纳米线相比，硅纳米管具有更大的比表面积。同时载流子还具有弹道输运特性，因此在微电子器件、锂离子负极材料等领域具有很大的应用潜力。

由于硅属于金刚石结构，与碳的层状结构不同，很难形成管状结构，因此硅纳米管的制备相对比较困难，通常需要借助于模板(Template) 技术。常用的模板技术有两种，一种是利用具有纳米孔洞的Al2O3,模板，通过SiH4的热分解，借助局域化的Au等金属催化剂，在模板孔洞内壁沉积硅材料，最后去除模板制备成纳米硅管；另一种是利用Zn0等纳米线作为“软模板"，在制备Zn0纳米线后，通过化学合成、物理溅射、化学气相沉积等工艺，在Zn0纳米线表面包裹一层硅材料，最后通过化学刻蚀成加温烧蚀等技术，将Zn0纳米线模板去除，从而获得硅纳米管。