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Nanocable de silicio

Esquema de un dispositivo de nanocables de silicio Los nanocables de silicio , también conocidos como SiNW , son un tipo de nanocable semiconductor que se forma con mayor frecue...

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Esquema de un dispositivo de nanocables de silicio

Los nanocables de silicio , también conocidos como SiNW , son un tipo de nanocable semiconductor que se forma con mayor frecuencia a partir de un precursor de silicio mediante el grabado de un sólido o mediante el crecimiento catalizado a partir de una fase gaseosa o líquida. Las características físicas y químicas de los nanocables de silicio difieren de las del silicio a granel, lo que podría dar lugar a aplicaciones en baterías de iones de litio, dispositivos termoeléctricos y sensores . La síntesis inicial de SiNW suele ir acompañada de etapas de oxidación térmica para obtener estructuras con un tamaño y una morfología controlados con precisión. [ 1 ]

Los SiNW poseen propiedades únicas que no se observan en los materiales de silicio tridimensionales (a granel). Estas propiedades se derivan de una inusual estructura electrónica cuasi unidimensional 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 funcionar como bloques de construcción para la electrónica a nanoescala, ensamblada sin necesidad de instalaciones de fabricación complejas y costosas. [ 2 ] Los SiNW se estudian frecuentemente para aplicaciones que incluyen energía fotovoltaica , baterías de nanocables , termoelectricidad y memoria no volátil . [ 3 ]

Aplicaciones

Los SiNW exhiben un comportamiento de atrapamiento de carga que hace que estos sistemas sean valiosos en aplicaciones que requieren la separación de pares electrón-hueco , como la fotovoltaica y los fotocatalizadores. [ 4 ] Los experimentos con células solares de nanocables han llevado a una mejora de la eficiencia de conversión de potencia de las células solares de SiNW de <1% a >17%. [ 5 ]

La capacidad de los iones de litio para intercalarse en estructuras de silicio hace que diversas nanoestructuras de Si resulten interesantes para su uso como ánodos en baterías de iones de litio (LiBs) . Los nanohilos de silicio (SiNWs) son de interés como tales ánodos, ya que presentan la capacidad de sufrir una litiación significativa manteniendo la integridad estructural y la conectividad eléctrica. [ 6 ]

Los nanocables de silicio son generadores termoeléctricos eficientes porque combinan una alta conductividad eléctrica, debido a las propiedades volumétricas del Si dopado, con una baja conductividad térmica debido a su pequeña sección transversal. [ 7 ]

Transistor de efecto de campo de nanocables de silicio (SiNWFET)

El comportamiento de atrapamiento de carga y las propiedades de transporte gobernadas por la superficie ajustables de los SiNW hacen que esta categoría de nanoestructuras sea interesante para su uso como semiconductores metal-aislante y transistores de efecto de campo , [ 8 ] donde el nanocable de silicio es el canal principal del FET que conecta el terminal de fuente con el terminal de drenaje, facilitando la transferencia de electrones entre los dos terminales con aplicaciones adicionales como dispositivos de almacenamiento nanoelectrónico, [ 9 ] en memoria flash , dispositivos lógicos , así como sensores químicos, de gas y biológicos. [ 3 ] [ 10 ] [ 11 ]

Tras la primera publicación de SiNWFET en 2001, [ 12 ] surgió interés en el campo de los sensores debido a sus propiedades físicas superiores, como la alta movilidad de portadores, [ 13 ] la alta relación de conmutación de corriente y la pendiente subumbral cercana a la ideal. Además, son rentables y pueden fabricarse a gran escala, ya que son compatibles con la tecnología de fabricación CMOS. En concreto, en la investigación biológica, los SiNWFET presentan alta sensibilidad y especificidad para objetivos biológicos y pueden ofrecer detección sin marcadores tras su modificación con pequeñas moléculas biológicas para que coincidan con el objeto objetivo. Los SiNWFET pueden fabricarse en matrices y funcionalizarse selectivamente, lo que permite la detección y el análisis simultáneos de múltiples objetivos. [ 14 ]

Síntesis

Se conocen varios métodos de síntesis para los SiNW, los cuales se pueden dividir a grandes rasgos en métodos que parten de silicio a granel y eliminan material para producir nanocables, también conocidos como síntesis de arriba hacia abajo, y métodos que utilizan un precursor químico o gaseoso para construir nanocables en un proceso generalmente considerado como síntesis de abajo hacia arriba. [ 3 ]

Métodos de síntesis descendentes

Estos métodos utilizan técnicas de remoción de material para producir nanoestructuras a partir de un precursor masivo.

Métodos de síntesis ascendente

Oxidación térmica

Tras el procesamiento físico o químico, ya sea de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba, para obtener nanoestructuras de silicio iniciales, a menudo se aplican pasos de oxidación térmica para obtener materiales con el tamaño y la relación de aspecto deseados. Los nanocables de silicio presentan un comportamiento de oxidación autolimitante distintivo y útil, en el que la oxidación cesa efectivamente debido a limitaciones de difusión , que pueden modelarse. [ 1 ] Este fenómeno permite un control preciso de las dimensiones y las relaciones de aspecto en los SiNW y se ha utilizado para obtener SiNW de alta relación de aspecto con diámetros inferiores a 5  nm. [ 19 ]

Referencias

  1. 1 2 Liu, M.; Peng, J.; et  al. (2016). " Modelado bidimensional de la oxidación autolimitante en nanocables de silicio y tungsteno " . Theoretical and Applied Mechanics Letters . 6 (5): 195– 199. arXiv : 1911.08908 . Bibcode : 2016TAML....6..195L . doi : 10.1016/j.taml.2016.08.002 .
  2. ↑ Yi, Cui; Charles M., Lieber (2001). "Dispositivos electrónicos funcionales a nanoescala ensamblados utilizando bloques de construcción de nanocables de silicio". Science . 291 (5505): 851– 853. Bibcode : 2001Sci...291..851C . doi : 10.1126/science.291.5505.851 . PMID 11157160 . 
  3. 1 2 3 4 5 Mikolajick, Thomas; Heinzig, Andre; Trommer, Jens; et al. (2013). "Nanocables de silicio: una plataforma tecnológica versátil". Physica Status Solidi RRL . 7 (10): 793– 799. Bibcode : 2013PSSRR...7..793M . doi : 10.1002/pssr.201307247 . S2CID 93989192 .  
  4. ↑ Tsakalakos, L.; Balch, J.; Fronheiser, J.; Korevaar, B. (2007). "Celdas solares de nanocables de silicio". Applied Physics Letters . 91 (23): 233117. Bibcode : 2007ApPhL..91w3117T . doi : 10.1063/1.2821113 .
  5. ↑ Yu, Peng; Wu, Jiang; Liu, Shenting; Xiong, Jie; Jagadish, Chennupati; Wang, Zhiming M. (2016-12-01). "Diseño y fabricación de nanocables de silicio para células solares eficientes" (PDF) . Nano Today . 11 (6): 704– 737. doi : 10.1016/j.nantod.2016.10.001 .
  6. ↑ Chan, C.; Peng, H.; et al. (2008). "Ánodos de baterías de litio de alto rendimiento que utilizan nanocables de silicio". Nature Nanotechnology . 3 (1): 31– 35. Bibcode : 2008NatNa...3...31C . doi : 10.1038/nnano.2007.411 . PMID 18654447 .  
  7. ↑ Zhan, Tianzhuo; Yamato, Ryo; Hashimoto, Shuichiro; Tomita, Motohiro; Oba, Shunsuke; Himeda, Yuya; Mesaki, Kohei; Takezawa, Hiroki; Yokogawa, Ryo; Xu, Yibin; Matsukawa, Takashi; Ogura, Atsushi; Kamakura, Yoshinari; Watanabe, Takanobu (2018). "Generador microtermoeléctrico planar miniaturizado de nanocables de Si que utiliza un campo térmico exudado para la generación de energía" . Ciencia y Tecnología de Materiales Avanzados . 19 (1): 443– 453. Código bibliográfico : 2018STAdM..19..443Z . doi : 10.1080/14686996.2018.1460177 . PMC 5974757 . PMID 29868148 .  
  8. ↑ Cui, Yi; Zhong, Zhaohui; Wang, Deli; Wang, Wayne U.; Lieber, Charles M. (2003). "Transistores de efecto de campo de nanocables de silicio de alto rendimiento". Nano Letters . 3 (2): 149– 152. Bibcode : 2003NanoL...3..149C . CiteSeerX 10.1.1.468.3218 . doi : 10.1021/nl025875l . 
  9. ↑ Tian, ​​Bozhi; Xiaolin, Zheng ; et al. (2007). "Nanocables de silicio coaxiales como células solares y fuentes de energía nanoelectrónicas". Nature . 449 ( 7164): 885– 889. Bibcode : 2007Natur.449..885T . doi : 10.1038/nature06181 . PMID 17943126. S2CID 2688078 .   
  10. ↑ Daniel, Shir; et al. (2006). "Oxidación de nanocables de silicio". Journal of Vacuum Science & Technology . 24 (3): 1333– 1336. Bibcode : 2006JVSTB..24.1333S . doi : 10.1116/1.2198847 . 
  11. ↑ Hu, Qitao; Solomon, Paul; Österlund, Lars; Zhang, Zhen (2024-06-19). "Detección de gases basada en nanotransistores con sensibilidad récord gracias al efecto de atrapamiento de electrones en nanopartículas" . Nature Communications . 15 (1): 5259. Bibcode : 2024NatCo..15.5259H . doi : 10.1038/s41467-024-49658-3 . ISSN 2041-1723 . PMC 11187184. PMID 38898091 .   
  12. ↑ Y, Cui (2001). "Nanosensores de nanocables para la detección altamente sensible y selectiva de especies biológicas y químicas". Science . 293 (5533): 1289– 1292. Bibcode : 2001Sci...293.1289C . doi : 10.1126/science.1062711 . PMID 11509722 . 
  13. ↑ Song, Y (2022). "Transistores de efecto de campo de nanocables de silicio de alto rendimiento y gran elasticidad integrados en sustratos de elastómero" . Advanced Science . 9 (9) e2105623. doi : 10.1002/advs.202105623 . PMC 8948590. PMID 35092351 .  
  14. ↑ Gao, A. (2017). "Detección multiplexada de biomarcadores de cáncer de pulmón en suero de pacientes con matrices de nanocables de silicio compatibles con CMOS". Biosens. Bioelectron . 91 (15): 482– 488. doi : 10.1016/j.bios.2016.12.072 . PMID 28073028 . 
  15. ↑ Huang, Z.; Fang, H.; Zhu, J. (2007). "Fabricación de matrices de nanocables de silicio con diámetro, longitud y densidad controlados". Advanced Materials . 19 (5): 744– 748. Bibcode : 2007AdM....19..744H . doi : 10.1002/adma.200600892 . S2CID 136639488 . 
  16. 1 2 3 Shao, M.; Duo Duo Ma, D.; Lee, ST (2010). "Nanocables de silicio: síntesis, propiedades y aplicaciones". European Journal of Inorganic Chemistry . 2010 (27): 4264– 4278. doi : 10.1002/ejic.201000634 .
  17. ↑ Huang, Zhipeng; Geyer, Nadine; Werner, Peter; Boor, Johannes de; Gösele, Ulrich (2011). "Grabado químico asistido por metales de silicio: una revisión". Advanced Materials . 23 (2): 285– 308. Bibcode : 2011AdM....23..285H . doi : 10.1002/adma.201001784 . ISSN 1521-4095 . PMID 20859941 . S2CID 205237664 .   
  18. ↑ Holmes, J.; Keith, P.; Johnston, R.; Doty, C. (2000). "Control del espesor y la orientación de nanocables de silicio cultivados en solución". Science . 287 (5457): 1471– 1473. Bibcode : 2000Sci...287.1471H . doi : 10.1126/science.287.5457.1471 . PMID 10688792 . 
  19. ↑ Liu, HI; Biegelsen, DK; Ponce, FA; Johnson, NM; Pease, RFW (1994). "Oxidación autolimitante para la fabricación de nanocables de silicio sub-5 nm". Applied Physics Letters . 64 (11): 1383. Bibcode : 1994ApPhL..64.1383L . doi : 10.1063/1.111914 .