Кремниевая нанотрубка
Кремниевые нанотрубки — это наночастицы , которые создают трубчатую структуру из атомов кремния . Как и кремниевые нанопроволоки , они технологически важны из-за своих необычных физических свойств, которые фундаментально отличаются от свойств объемного кремния. [2] Первые сообщения о кремниевых нанотрубках появились примерно в 2000 году. [3]
Синтез
[ редактировать ]Одним из методов получения кремниевых нанотрубок является использование реактора с электрической дугой без использования какого-либо катализатора . [4] Для обеспечения чистоты реактор вакуумируют и наполняют инертным благородным газом аргоном . Фактическое формирование нанотрубок зависит от процесса химического осаждения из паровой фазы . [5]
Более распространенный лабораторный метод предполагает использование нанопроволок из оксида германия , углерода или цинка в качестве шаблона. Кремний, обычно получаемый из силана или газообразного тетрахлорида кремния , затем осаждается на нанопроволоки, а сердцевина растворяется, оставляя после себя кремниевую трубку. [6] Рост темплатных нанопроволок, осаждение кремния и травление нанопроволок, а, следовательно, и геометрия получаемых кремниевых нанотрубок, можно точно контролировать с помощью второго метода; однако наименьший внутренний диаметр ограничен десятками нанометров. [1]
Традиционные механизмы пар-жидкость-твердое тело ( VLS ) и твердое тело-жидкость-твердое тело (SLS) являются любимыми методами выращивания одномерных кремниевых наноструктур. только один тип металла Однако они обычно содержат в качестве катализатора и поэтому не могут быть использованы для выращивания трубчатых (полых) кремниевых наноструктур. В недавней попытке был использован двухслойный слой никель-золотого катализатора, чтобы воспользоваться преимуществами неравномерной скорости роста составляющих металлических катализаторов. Используя эти модифицированные методы VLS и SLS, были выращены многостенные кремниевые нанотрубки с толщиной боковой стенки в несколько нанометров. [7]
Приложения
[ редактировать ]Из-за их баллистической проводимости кремниевые нанотрубки и нанопроволоки рассматривались для использования в электронике, например, в термоэлектрических генераторах . [8] Поскольку структура может вмещать молекулы водорода и может напоминать уголь без CO 2 , похоже, что кремниевые наноматериалы могут вести себя как металлическое топливо. [9] [10] Кремниевая нанотрубка, заряженная водородом, доставляет энергию и при этом оставляет остаточную воду, этанол, кремний и песок. Однако, поскольку производство водорода требует значительных затрат энергии, это всего лишь предлагаемый метод хранения энергии, а не ее производства.
Кремниевые нанотрубки и кремниевые нанопроволоки можно использовать в литий-ионных батареях . В обычных литий-ионных батареях в качестве анода используется графитовый углерод, но замена его кремниевыми нанотрубками экспериментально увеличивает удельную (по массе) емкость анода в 10 раз (хотя общее улучшение емкости ниже из-за гораздо меньшей удельной емкости катода). . [11]
Еще одним новым применением кремниевых нанотрубок является излучение света. с непрямой запрещенной зоной Поскольку кремний является полупроводником , квантовый выход излучательной рекомбинации в этом материале очень низок. По мере уменьшения толщины наноструктур на основе кремния ниже эффективного радиуса Бора (около 9 нм в кремнии) квантовая эффективность излучения света из этого материала увеличивается за счет эффекта квантового ограничения. На основе этого факта была продемонстрирована фотоэмиссионная способность кремниевых нанотрубок с очень тонкими боковыми стенками. [7]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Хуан, Сюэчжэнь; Гонсалес-Родригес, Роберто; Рич, Райан; Грычинский, Зигмунт; Коффер, Джеффри Л. (2013). «Изготовление и размерозависимые свойства массивов пористых кремниевых нанотрубок» . Химические коммуникации . 49 (51): 5760–5762. дои : 10.1039/C3CC41913D . ПМИД 23695426 .
- ^ Му, К.; Чжао, К.; Сюй, Д.; Чжуан, К.; Шао, Ю. (2007). «Матрица кремниевых нанотрубок/золотой электрод для прямой электрохимии цитохрома с». Журнал физической химии Б. 111 (6): 1491–1495. дои : 10.1021/jp0657944 . ПМИД 17253735 .
- ^ Киричи, Имре; Фудала, Агнес; Конья, Золтан; Эрнади, Клара; Ленц, Патрик; Надь, Янош Б (2000). «Преимущества обработки озоном при получении трубчатых кремнеземных структур». Прикладной катализ А: Общие сведения . 203 : L1–L4. дои : 10.1016/S0926-860X(00)00563-9 .
- ^ Де Крещенци, М.; Каструччи, П.; Скарселли, М.; Диочаюти, М.; Чаудхари, PS; Баласубраманян, К.; Бхаве, ТМ; Бхораскар, С.В. (2005). «Экспериментальное изображение кремниевых нанотрубок». Письма по прикладной физике . 86 23):231901.doi : ( 10.1063/1.1943497 .
- ^ Ша, Дж.; Ню, Дж.; Ма, Х.; Сюй, Дж.; Чжан, X.; Ян, К.; Ян, Д. (2002). «Кремниевые нанотрубки». Продвинутые материалы . 14 (17): 1219. doi : 10.1002/1521-4095(20020903)14:17<1219::AID-ADMA1219>3.0.CO;2-T .
- ^ Мошит, Ишай; Патольский, Фернандо (2009). «Монокристаллический кремний и SiGe нанотрубки с контролируемой формой и размером: на пути к нанофлюидным полевым транзисторам». Журнал Американского химического общества . 131 (10): 3679–3689. дои : 10.1021/ja808483t . ПМИД 19226180 .
- ^ Jump up to: а б Тагинежад, Мохаммед; Тагинежад, Хосейн (2012). «Техника разработки двухслойных никель-золотых катализаторов для самоорганизующегося роста высокоупорядоченных кремниевых нанотрубок (SiNT)». Нано-буквы . 13 (3): 889–897. дои : 10.1021/nl303558f . ПМИД 23394626 .
- ^ Мората, Алекс; Пасиос, Мерсе; Гадеа, Жерар; Флокс, Кристина; Кадавид, Дорис; Кабот, Андреу; Таранкон, Альберт (2018). «Термоэлектрические наноматериалы на основе кремния большой площади и адаптируемые электропрядением с высокой эффективностью преобразования энергии» . Природные коммуникации . 9 (1): 4759. doi : 10.1038/s41467-018-07208-8 . ISSN 2041-1723 . ПМК 6232086 . ПМИД 30420652 .
- ^ Цзэн, Сяо Чэн; Танака, Хидеки (10 мая 2004 г.). «Ученые моделируют кремниевые нанотрубки, которые кажутся металлическими (нанотехнология AzO)» . АЗоНано .
- ^ Бардсли, Эрл (апрель 2009 г.). «Песочный вариант: энергия из кремния» (PDF) . Обзор австралийских исследований и разработок .
- ^ Макдермотт, Мат. (23 сентября 2009 г.) Прорыв в области литий-ионных аккумуляторов: кремниевые нанотрубки увеличивают емкость в 10 раз . ДревоХаггер. Проверено 13 ноября 2015 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
