平面硅纳米线生长机理、可编程形貌调控及其可拉伸电子器件应用

发布时间：2020-05-11 21:47

【摘要】：自组装生长半导体硅纳米线(Silicon nanowires,SiNWs)凭借其独特的形貌结构、光电吸收和输运特性,有望成为研发新一代高性能大面积薄膜电子器件的核心材料,在新型柔性显示、生物医学传感、环境检测和逻辑存储等领域具有十分巨大的应用潜力,因而长期以来一直受到广泛而深入的研究。然而,目前限制其规模化应用的主要限制因素来源于:如何实现自组装硅纳米线的大面积可控制备、精确定位和可靠集成。另一方面,在日益兴起的大面积、柔性/可拉伸电子领域(如可穿戴电子、柔性显示、仿生电子和人造皮肤等新型应用),作为现代微电子技术核心的晶硅材料却因其坚硬和脆性的本质无法直接应用。即便是准一维的晶硅纳米线,也仅仅获得了增强的可弯曲特性,依然难以实现足够的可拉伸特性。此时,如何发掘晶硅纳米线自组装生长动力学中的丰富调控参量和潜力,发展一种新型的可定制硅纳米线精控生长技术,从而可靠地宏量制备形貌可编程的晶硅纳米线结构,将对研发新一代高性能硅基微纳电子器件和柔性/可拉伸电子应用具有非常重要的意义。本论文工作主要围绕一种全新的平面固-液-固(in-plane solid-liquid-solid,IPSLS)硅纳米线生长模式,即利用铟(In)、锡(Sn)等低熔点催化金属液滴吸收覆盖在衬底表面的非晶硅薄膜,从而在其平面运动过程中生长出晶态的硅纳米线结构。相比于传统的气液固(vapor-liquid-solid,VLS)生长模式,IPSLS生长模式具有独特的生长界面相互作用,以及十分丰富的生长动力学过程和调控新参量。本论文首先深入研究了 IPSLS生长动态中的新颖界面应力调控机理,以实现对平面硅纳米线的可编程形貌调控,制备了两种形貌特殊的硅纳米线结构—直径周期性调制的岛链状(island-chain)结构和生长方向周期振荡的自发弹簧线(zigzag)结构。然后,利用平面硅纳米线的精确引导生长定位技术,实现了大面积的平面硅纳米线阵列,制备了高性能硅纳米线场效应晶体管器件。最后,还进一步发展了平面硅纳米线的精确可编程形貌调控策略,制备了可拉伸性200%的晶硅纳米线弹簧阵列,为探索高性能柔性/可拉伸晶硅电子器件奠定了关键的基础。具体而言,本博士论文工作的主要创新点可概括为以下四个方面:1、提出并实现了一种可编程的晶硅纳米线周期性形貌调控技术。借助于金属纳米液滴的自驱动生长和前后相互制约的柔性“固-液”生长界面,在350℃的低温下,“塑造”生长出周期性的岛链状(island-chain)晶硅纳米线结构,其等效于在高温环境中表面能驱使下发生的Plateau-Rayleigh(P-R)不稳定转变。结合精确引导生长技术,还可实现island-chain硅纳米线的精确定向和定位生长,为进一步器件集成打下了基础。在此基础上,还进一步研究了利用等离子体对非晶硅层进行预处理新工艺,极大地提高island-chain结构的产率。相关工作以第一作者发表在《Nature Communications》,2016年,7卷,29期,DOI:10.1038/ncomms128362、发现了一种平面限制的自发Zigzag振荡晶硅纳米线生长模式,并通过原位力学拉伸测试验证了具可承受12%的弹性形变(远大于传统体硅材料)。同时,在生长机理研究方面,借助于SEM原位实时观测和高分辨电镜(HR-TEM)技术,发现了一种独特的自发生长振荡动态,以及新奇的“降晶格指数”偏转序列和自发孪晶切换的内禀晶格结构,并建立了相应的生长动力学描述模型。相关工作以第一作者发表在《Advanced Functional Materials》,2016年,26卷,29 期,DOI:10.1002/adfm.2016007803、深入研究了平面硅纳米线的可靠引导生长机制,实现了高成功率的平面硅纳米线大面积可控阵列化生长,成功制备了基于平面硅纳米线阵列的大面积高性能的薄膜晶体管器件(TFTs),实现了较高的电流开关比～106,空穴迁移率大于100 cm2/Vs。为批量制备大面积高迁移率的硅纳米线薄膜电子器件提供了关键基础,并有望在大面积平板显示实现高性能鳍形薄膜晶体管(fin-TFT)应用。相关工作以共同一作发表在《Nanoscale》,2017年,9卷,29期,DOI:10.1039/C7NR02825C4、提出了一种精确线形可编程的平面纳米线形貌调控技术,在低于350℃下批量制备硅纳米线弹簧/图案阵列。通过对关键生长参数的调控,实现了在各种图案边缘的可靠引导生长和宏量制备。利用HR-TEM对硅纳米线进行晶态表征,证明其具有较好的类单晶硅结构。成功制备了大面积可拉伸的晶硅纳米线弹簧结构,通过原位SEM操作和同步电学测试,验证其在200%的弹性形变下依然能保持了正常导电特性。有望突破长期以来限制晶硅材料在可拉伸电子应用中所面临的关键技术瓶颈,从而开发新一代高性能、高稳定性的柔性晶硅可拉伸器件。相关工作以第一作者发表在《Nano Letters》,2017年,17卷,12期DOI:10.1021/acs.nanolett.7b03658
【图文】：

示意图,“自上而下”,自组装,微电子

逡逑己开始在寻找能够适应未来发展要求的新制造技术方案，提出了一种全新的逡逑“Ｂｏｔｔｏｍ－Ｕｐ”（自下而上）组装的方法，如下图１．１示意图所示，即从原子或逡逑分子水平上开始，若干个体利用其相互作用“组装”成基本单元进而构建出器件，逡逑这一过程是自动的、自发的，不需要昂贵的极高精度的光刻、刻蚀等加工设备［１７－逡逑２０］。目前，自组装的纳米基元主要有零维的量子点，一维的纳米线、纳米管和逡逑二维材料等。从一定角度上来说，“Ｂｏｔｔｏｍ－Ｕｐ”自组装的方法是在现有纳米技逡逑术发展的基础上提出的一种新的低成本制备电子器件、光电器件、传感器等的方逡逑法。逡逑１逡逑２逡逑

示意图,硅纳米线,气相沉积法,过程

ｒａｂａｒ以下）的ＭＢＥ系统腔室中，将硅的单质以气态硅原子的形式蒸镀到催化金逡逑属（如Ａｕ）纳米颗粒所在的衬底上，然后基于上文中提到的ＶＬＳ的生长机制，由逡逑金属纳米颗粒催化诱导生长硅纳米线。ＭＢＥ系统合成硅纳米线过程如下图１．邋３（ａ）逡逑示意图所示，图１．３邋（ｂ）为ＭＢＥ合成的硅纳米线的ＳＥＭ形貌图。逡逑ＨＩ邋Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ邋Ｂｅａｍ邋Ｉ－ｐ？Ｕｉｘｙ逡逑ｔW逡逑４逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN36

【参考文献】