雖然我國目前已經(jīng)初步實現(xiàn)了硅納米晶體管、傳感器等納米器件的部分功能，但是離納米器件的大規(guī)模集成還有相當大的距離。

美國斯坦福大學研究人員已經(jīng)研發(fā)出用硅納米線制成的“紙電池”。

■本報記者 李惠鈺

當全世界的科學家一窩蜂地關(guān)注碳納米管時，殊不知，另一種一維納米材料硅納米線同樣能給人帶來意想不到的驚喜。

不久前，美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員通過編織比頭發(fā)絲還細的硅納米線纖維，研制出一種柔性的、可彎曲或扭曲的太陽能織物電池，它能夠從不同的角度收集光能，為可穿戴式電源帶來新思路。

其實，太陽能電池僅是硅納米線的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。由于自身的特殊性能，硅納米線在化學檢測、生物學和醫(yī)療等領(lǐng)域都蘊藏著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

納米科技的新產(chǎn)物

一納米等于十億分之一米，跨越這個距離也預(yù)示著將進入一個全新的世界，硅納米線就是這一新世界的產(chǎn)物。

硅是微電子器件中應(yīng)用最為廣泛的半導體材料，而直徑僅為10納米左右的硅納米線，由于尺寸的減少，出現(xiàn)了許多不同于體硅的特性，如特有的熒光、紫外等光學特性；場發(fā)射、電子輸運等電學特性；較低的熱傳導率、高表面活性和量子限制效應(yīng)等。

其實，對于這種新型的半導體光電材料，我國的研究并不遜色。

早在2003年3月21日，三根漂亮的硅納米線就登上了當天《科學》雜志的封面，而這也是中國科學院院士李述湯第一次向世人展示他所研制的全球最細的硅納米線。

李述湯表示，相比其他低成本的半導體材料如二氧化鈦納米微晶體，硅納米線具有較高的表面積與體積比，這也意味著它有更大的表面積來吸收光，也有很大的界面供激子分離成電子與空穴，并能提供良好的導電路徑來傳輸電荷。這些特性都能提高光轉(zhuǎn)換效率，進而降低太陽能電池的成本。

研究顯示，對于波長為300~800納米的光，在正入射的情況下，硅薄膜的平均光吸收率為65%，而硅納米線陣列的平均光吸收率在80%以上；在光入射角為60度時，硅薄膜的平均光吸收率為45% ，而硅納米線陣列的平均光吸收率可達70%。

“隨著電子器件尺寸的減小，硅納米線量子限制效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)等新穎性能也會越來越明顯，這將更深層次地揭示納米半導體材料的新現(xiàn)象、新性能，為實現(xiàn)納米器件的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。”安徽工業(yè)大學教授裴立宅如是說。

巨大的應(yīng)用潛力

除了太陽能電池，硅納米線在其他納米器件上的應(yīng)用前景也已經(jīng)顯現(xiàn)。

裴立宅告訴《中國科學報》記者，近幾年來，硅納米線在檢測各種不同物質(zhì)的納米傳感器、納米晶體管等方面都已經(jīng)取得一系列進展。

裴立宅表示，由于硅納米線表面活性高，因而對溫度、光、濕氣等環(huán)境因素的敏感度也高，外界環(huán)境的改變會迅速引起表面或界面離子價態(tài)電子輸運的變化。

利用硅納米線這種電阻的顯著變化，可以制成納米傳感器，實現(xiàn)硅納米線在化學、生物傳感中的應(yīng)用。

就在不久前，北京大學環(huán)境科學與工程學院研究員要茂盛就利用硅納米線的高敏感性，研制出一種硅納米流感診斷設(shè)備，患者只需吹口氣，就可以快速檢測到是否含有流感病毒。

“硅納米線是半導體，導電性能差。當病毒與之連接的相應(yīng)抗體結(jié)合時，其導電性就會發(fā)生微小變化，通過檢測這種變化，就可以判斷是否有特定類型的流感病毒。”要茂盛告訴記者，相比傳統(tǒng)實驗室采用的病毒分離、培養(yǎng)、定量基因擴增等方法，硅納米線傳感器靈敏度更高，檢測速度也更快。

而要想實現(xiàn)硅納米線更為廣泛的應(yīng)用，還可以通過摻雜其他元素來改善硅納米線的性能，從而取得普通硅材料不可能實現(xiàn)的應(yīng)用，制造出更加實用的納米器件。

據(jù)裴立宅介紹，目前采用摻雜硅納米線制備的電子元器件，主要集中于磷、硼兩種元素。以這兩種元素作為摻雜源時，可以控制硅納米線中的電子和空穴及其濃度，也可采用自組裝工藝制備出硅納米線場效應(yīng)晶體管等納米電子器件。

除此之外，利用摻雜硅納米線還可以控制單個電子以實現(xiàn)單電子存儲元件的制備，當電子到達或接近傳導通路的存儲節(jié)點后，晶體管的電壓就會發(fā)生變化。

“這種可以精確控制存儲電子的納米硅單電子存儲元件，具有尺寸小、能耗小等特性，在將來的大規(guī)模集成電路中具有潛在的應(yīng)用前景。”裴立宅說。

問題待解

良好的應(yīng)用前景，并不能完全代表著納米材料就可以“一路高歌”。

有專家表示，未來的納米電子器件和納米光電子器件應(yīng)該是高集成、多功能和智能化的，它能將信息的探測（傳感器）、運算（芯片）、運輸（通信）和動作的執(zhí)行等諸多功能集成到納米結(jié)構(gòu)中。因此，研究納米結(jié)構(gòu)和材料是納米科技中最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。

隨著人們對超大容量電子存儲器的需求量增加，再加之硅基微電子集成電路技術(shù)將很快達到自身的物理極限，硅納米線極有可能成為納米電子學領(lǐng)域極有應(yīng)用潛力的新材料。

不過，裴立宅同時表示，雖然我國目前已初步實現(xiàn)了納米晶體管、傳感器等納米器件的部分功能，但是離納米器件的大規(guī)模集成還有相當大的距離。

“從目前的研究來看，利用摻雜硅納米線制備納米器件還存在一定問題，如對摻雜硅納米線的摻雜機理、特性的研究還不夠深入，而且采用硅納米線制備的納米器件重復(fù)性較差。”

裴立宅認為，解決上述問題，就要深入研究如何改進摻雜硅納米線的制備工藝，減少后處理過程，制得容易測試的樣品，并逐步實現(xiàn)可重復(fù)、大規(guī)模化生產(chǎn)工藝。而所有這些都需要通過科研工作者的不斷探索來實現(xiàn)。

《中國科學報》(2013-08-14 第5版技術(shù)經(jīng)濟周刊)