硅納米管的各種應(yīng)用研究進(jìn)展

田 春,馮 揚(yáng),唐元洪,2

(1.海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院, 海南 ?？?571158; 2.海南省激光技術(shù)與光電功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 海南 ?？?571158)

1 前 言

硅納米管[1-2]具有獨(dú)特的皺縮納米中空管狀結(jié)構(gòu)、更大的比表面積、低導(dǎo)熱[3]、較大的光吸收率[4]、高儲(chǔ)氫能力[5]、更暴露的活性部位以及互補(bǔ)形貌等特點(diǎn),因此賦予了其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)[6],并且硅納米管同時(shí)兼具硅納米線和碳納米管的性質(zhì)等優(yōu)點(diǎn),成為當(dāng)今一維納米材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。雖然自硅納米管首次在實(shí)驗(yàn)室中成功合成以來(lái),已過(guò)去較長(zhǎng)一段時(shí)間[7],但長(zhǎng)期以來(lái),結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、自組生長(zhǎng)的硅納米管只在理論預(yù)測(cè)中存在,實(shí)際合成在國(guó)際上還尚未見報(bào)導(dǎo)。因此,關(guān)于硅納米管的大部分研究都只是停留在理論方面,而相關(guān)性質(zhì),特別是硅納米管各種應(yīng)用方面的研究更是無(wú)從談起。直到Tang等[8-9]在實(shí)驗(yàn)室中采用水熱法才合成了真正意義上的自組生長(zhǎng)且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的硅納米管。現(xiàn)有的研究表明,硅納米管是應(yīng)用非常廣泛的一維納米材料,特別是在電子學(xué)領(lǐng)域、能量存儲(chǔ)、生物傳感器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FETs)和醫(yī)療等領(lǐng)域上已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)[10-15]。本文綜述了硅納米管最新的各種應(yīng)用研究,表明硅納米管與碳納米管和硅納米線等一維納米材料一樣,在未來(lái)的科技發(fā)展中具有巨大的應(yīng)用價(jià)值,是推動(dòng)未來(lái)科技發(fā)展的理想材料。

2 硅納米管的各種應(yīng)用

2.1 在電子學(xué)領(lǐng)域上的應(yīng)用

Tengying等[16]研究了溫度對(duì)碳納米管和硅納米管量子輸運(yùn)的影響。如圖1(a)所示,雖然在低電壓和高電壓情況下,I-V 曲線沒有發(fā)生明顯變化,但是在中間電壓范圍內(nèi)觀察到電子在低溫狀態(tài)下的電流小于在高溫狀態(tài)下的電流值。此外,還觀察到負(fù)差電阻(NDR)現(xiàn)象,特別是在溫度不高時(shí)。這也可以通過(guò)圖1(b)來(lái)證明,圖中顯示了電流的大小隨著電子溫度的增加而增加。通過(guò)圖1(c)和圖1(d)的觀察可以發(fā)現(xiàn),與碳納米管相比,硅納米管中的輸運(yùn)特性與溫度無(wú)關(guān),具有獨(dú)立于溫度的輸運(yùn)特性。這是因?yàn)楫?dāng)偏置電壓在0～1 V 范圍內(nèi)變化時(shí),載流子在這個(gè)溫度范圍內(nèi)的費(fèi)米狄拉克分布函數(shù)的變化可以忽略不計(jì)。通過(guò)比較圖1(a)和圖1(c)可以發(fā)現(xiàn),在低電壓情況下,硅納米管和碳納米管的電流幾乎都隨著外加偏置電壓的增加而增大,但顯然硅納米管的電流值要大于碳納米管。這些研究結(jié)論都證明硅納米管具有更穩(wěn)定、更高的傳輸能力,這些特性表明硅納米管在電子學(xué)領(lǐng)域上具有巨大的應(yīng)用潛力,是納米電子學(xué)領(lǐng)域上的理想候選材料。

圖1 (a)在不同電流溫度時(shí)碳納米管的I-V 曲線;(b)在V=0.3的條件下不同電流溫度對(duì)碳納米管電流值的影響;(c)在不同電流溫度時(shí)硅納米管的I-V 曲線;(d)在V=0.3的條件下不同電流溫度對(duì)硅納米管電流值的影響[16]Fig.1 (a) I-V curves of CNT at different current temperatures; (b) the influence of different current temperatures on the CNT current value of V=0.3; (c) the I-V curves of SiNTs at different current temperatures, and (d) the effect of different current temperatures on SiNTs current value of V=0.3[16]

2.2 在能量存儲(chǔ)上的應(yīng)用

鋰離子電池(LIBs)[17-18]與傳統(tǒng)的鎳鎘和鎳金屬氫化物電池等可充電電池相比,具有高能量密度、高安全性、高工作電壓、低自放電、維護(hù)要求低和循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。目前被用作陽(yáng)極材料的石墨僅表現(xiàn)出372 mAh·g-1的中等固有特異性容量,而且理論證明該技術(shù)已達(dá)到極限,無(wú)法滿足目前人類對(duì)便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能應(yīng)用等需求。研究表明,硅陽(yáng)極材料的低工作電位(～0.25 V)、低放電電荷勢(shì)、適合的工作電壓和10 倍于傳統(tǒng)石墨的高理論容量(4 200 mAh·g-1)等優(yōu)點(diǎn),確保了在全電池中配備時(shí)的高電壓和能量密度等需求[19-23],被認(rèn)為是最有前途的下一代鋰離子電池陽(yáng)/負(fù)極材料[24-25]。然而,在巖性/釋放過(guò)程中,巨大的體積膨脹(約320%)將導(dǎo)致活性材料的結(jié)構(gòu)易粹,使得與集電器之間的電接觸損失[25],進(jìn)一步導(dǎo)致容量快速衰退[26-27],從而導(dǎo)致了非常差的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性[28]。此外,在工作時(shí)鋰電鍍和鋰樹突等[29]的形成產(chǎn)生了嚴(yán)重的安全問(wèn)題。這一直是阻礙硅基鋰離子電池陽(yáng)極材料實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題[19,22-23,30]。雖然通過(guò)設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)等方法可以使得硅基陽(yáng)極的可循環(huán)性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有所改善,但由于硅系統(tǒng)固有的低電子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散率,所以不能滿足高功率的應(yīng)用需求[31]。因此,對(duì)具有高容量、適當(dāng)充放電電位、安全性高、低成本的新一代陽(yáng)極材料的研究引起了研究人員的廣泛關(guān)注[32-34]。

有研究表明納米材料之間的空隙有利于在鋰離子電池陽(yáng)/負(fù)極材料循環(huán)過(guò)程中承受的體積膨脹[35],所以各種硅納米結(jié)構(gòu)(如納米顆粒、納米線和納米管等)被應(yīng)用于電池陽(yáng)極/負(fù)極,以促進(jìn)應(yīng)力松弛和避免機(jī)械斷裂[36-37]。雖然各種納米結(jié)構(gòu)的硅陽(yáng)極材料已經(jīng)取得了顯著效果[38],但仍需要有足夠的空間以便更好地抵抗故障和性能的退化。與其他硅納米結(jié)構(gòu)相比,硅納米管由于內(nèi)部空間的增加,可以更好地適應(yīng)在巖性過(guò)程中的大體積變化[39],從而阻止硅的粉碎[3]。同時(shí),硅納米管的一維特性可以促進(jìn)軸向電荷轉(zhuǎn)移,縮短徑向鋰離子擴(kuò)散距離[40],還能促進(jìn)鋰離子的擴(kuò)散并增加離子通量(如圖2所示[41])。因?yàn)殡娊赓|(zhì)可獲得額外的內(nèi)表面和鋰離子的擴(kuò)散力度縮短[42],而且,硅納米管的結(jié)構(gòu)具有明確的均勻形態(tài),對(duì)可逆容量和長(zhǎng)周期壽命都有非常大的成效(如圖3所示)[44]。研究表明通過(guò)去除硅納米管密封的封蓋[25],可以減少鋰離子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。此外,由于硅納米管的內(nèi)表面也覆蓋著電解質(zhì),可導(dǎo)致電解質(zhì)和活性材料之間的界面面積增加,從而鋰離子通量就顯著增加。電極的速率主要由電子電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散率共同決定,這種電極配置工程能夠增強(qiáng)鋰相關(guān)的動(dòng)力學(xué),從而提高電極的速[43],如圖4所示。

圖2 硅納米管中的鋰離子路徑示意圖[41]Fig.2 Schematic diagram of the Li-ion pathway in Si nanotubes[41]

圖3 基于硅納米管和硅納米線作為電池陽(yáng)極時(shí)在1.0 C的電流速率下100次循環(huán)的電化學(xué)循環(huán)性能。(右上角插圖)相同條件下硅納米管和硅納米線作為電池陽(yáng)極時(shí)的容量保留率[43]Fig.3 Electrochemical cycling performances of 100 cycles at a current rate of 1.0 C based on SiNTs and SiNWs as the anode of the cell.(Illustration in upper right corner)Capacity retention when SiNTs and SiNWs are used as battery anodes under the same conditions[43]

圖4 硅納米管與硅納米線作為電池陽(yáng)級(jí)時(shí)的電流速率[43]Fig.4 Current rate of silicon nanotubes and silicon nanowires as positive stage of cell[43]

2.3 在生物傳感器上的應(yīng)用

一種可以連接到活細(xì)胞內(nèi)區(qū)域的電子設(shè)備必須要滿足以下三種條件:(1)尺寸必須要小,因?yàn)橐M最大限度地減少外來(lái)侵襲,同時(shí)最好能允許與亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行接觸;(2)具有非常高的靈敏度;(3)在單細(xì)胞和細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)水平上能允許進(jìn)行多路復(fù)合[45]。近年來(lái),采用納米材料對(duì)生物的組織和細(xì)胞等進(jìn)行檢測(cè)的方法被研究人員所關(guān)注。傳統(tǒng)的基于納米金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的生物傳感器因?yàn)槠渚哂休^高的靈敏度、無(wú)標(biāo)簽檢測(cè)、更好的短通道效應(yīng)(SCEs)和與互補(bǔ)金屬-氧化物半導(dǎo)體相兼容的制造工藝等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。特別是納米隙雕刻場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FETs)生物傳感器,由于其具有能自由標(biāo)記檢測(cè)中性/帶電的生物分子,且能從具有低離子濃度的分析物中檢測(cè)出生物分子等優(yōu)點(diǎn)受到極大的關(guān)注[46-47]。最近有關(guān)于在介電調(diào)制MOSFET(DMFET)生物傳感器中把納米間隙嵌入在氧化層里,從而捕獲到生物分子的報(bào)道[46]。因此,可以從生物分子的介電常數(shù)和電荷行為出發(fā),根據(jù)器件的閾值電壓(Vth)和對(duì)電流(ION)的變化情況來(lái)測(cè)量出特定類型的生物分子是有可能實(shí)現(xiàn)的,如圖5和圖6所示[46]。但是,由于納米孔內(nèi)生物分子的結(jié)合概率和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性都普遍較低,特別是不同的蛋白質(zhì)具有不同的介電常數(shù),這些因素在帶電生物分子的背景下更為突出。因此,DMFET 生物傳感器的實(shí)際應(yīng)用非常有限。

圖6 當(dāng)納米間隙被具有不同介電常數(shù)的生物分子填充時(shí),電場(chǎng)隨通道位置的變化,K=1, K=2 and K=12[46]Fig.6 Variation of electric field with the position along the channel when the nanogap is filled by biomolecules having different dielectric constant, K=1, K=2 and K=12[46]

在硅納米材料中,硅納米線和硅納米管是最具有吸引力的晶體管候選材料,因?yàn)樗麄兙哂信c當(dāng)今的整體硅集成電路技術(shù)相兼容等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于硅納米線作為離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFETs)的研究已有大量的報(bào)道。目前研究的難點(diǎn)是硅納米線能否允許在流體中進(jìn)行電荷傳感、無(wú)標(biāo)簽檢測(cè)化學(xué)和生化物種的傳感器上應(yīng)用。由于某些化學(xué)物質(zhì)會(huì)與硅納米線外表面的特異性或非特異性相結(jié)合,從而改變其表面電荷或所謂的液體門電位。這些因素使得在硅納米線中載流子不斷耗盡,從而影響其電導(dǎo)率。由于具有殼核柵堆疊結(jié)構(gòu)[48]和對(duì)載流子有顯著的靜電柵控制等優(yōu)點(diǎn),使得硅納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管被研究人員所關(guān)注。基于硅納米管的生物傳感器能提供比載流子更好的SCEs和優(yōu)越的柵極控制[49],以及可以通過(guò)在不同介電常數(shù)和正負(fù)電荷存在時(shí)離子發(fā)生的顯著變化來(lái)檢測(cè)電荷生物分子,還可以用于在中性生物分子和帶電生物分子的無(wú)標(biāo)記檢測(cè)等。因此,硅納米管可以取代硅納米線在生物傳感器中的應(yīng)用。簡(jiǎn)而言之,硅納米管生物傳感器是一種可以自由檢測(cè)具有較高靈敏度的酶、帶電DNA、蛋白質(zhì)等很有應(yīng)用前途的材料。

Avtar Singh等[50]研究出了一種分裂門控硅納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)生物傳感器,該生物傳感器可用于在極低離子濃度下進(jìn)行無(wú)標(biāo)記檢測(cè),在其結(jié)構(gòu)中內(nèi)外門被用于控制通道的靜電學(xué)。該生物傳感器與之前報(bào)道的傳感器相比,由于極少的SCEs和硅納米管顯著的體積反置等因素從而具有較高的驅(qū)動(dòng)電流。同時(shí)由于硅納米管體積的反演,來(lái)自低能帶的少數(shù)載流子也促進(jìn)了電流的流動(dòng)。在硅納米管中,由于內(nèi)外門被蝕刻出來(lái)而形成納米間隙,在納米間隙里生物分子將被捕獲。隨著帶電/中性生物分子的內(nèi)化,氧化物電容的大小也發(fā)生變化,同時(shí)顯著改變了漏極電流和閾值電壓,所以獲得了更高的靈敏度。Guangcun等[51]通過(guò)非平衡格林函數(shù)(NEGF)形式自洽來(lái)求解泊松方程的方法,研究了電子輸運(yùn)和柵極偏置對(duì)單壁硅納米管(SW-SiNTs)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FETs)在驅(qū)動(dòng)電流中的影響。通過(guò)與單壁碳納米管(SW-CNTFET)場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行比較時(shí)發(fā)現(xiàn),具有高kHfO 門氧化物的SWSiNTs是一種非常有前途的納米管晶體管候選材料。Gao等[52]研究出了一種基于活性硅納米管晶體管ANTT 的新針形納米探針,當(dāng)其在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行測(cè)量時(shí)能實(shí)現(xiàn)高分辨率記錄。

2.4 在醫(yī)療上的應(yīng)用

與硅納米管相比,由于碳納米管具有毒性所以其并不適合于在醫(yī)療藥物載體領(lǐng)域中應(yīng)用[53]。因?yàn)楣杓{米管具有生物相容性(如圖7所示)[55-59]和相當(dāng)大并可調(diào)的內(nèi)腔等特點(diǎn),因此其提供了一個(gè)重要的醫(yī)療藥物裝載機(jī)會(huì)[53,60]。此前,關(guān)于多孔硅在醫(yī)療和生物傳感中的相關(guān)研究已有大量報(bào)道[61],但在實(shí)現(xiàn)多孔硅顆粒的單分散性方面仍存在著巨大挑戰(zhàn),這是因?yàn)槎嗫坠桀w粒通常是通過(guò)球磨選擇的尺寸[62],為了克服這一關(guān)鍵問(wèn)題,有研究人員探索出了具有尺寸可控且結(jié)構(gòu)均勻的硅納米管作為替代的方法。這是因?yàn)樗斜谎芯康墓杓{米管都具有生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的磁性前提條件,也就是說(shuō)在室溫下可表現(xiàn)出忽略不計(jì)的磁性殘留性[63]。研究表明,超順磁性氧化鐵納米顆粒(NPs)在醫(yī)療診斷和治療生物醫(yī)學(xué)研究中都具有非常大的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)制造這種磁性納米復(fù)合材料可以將其作為磁性引導(dǎo)藥物傳遞載體在生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用,而且系統(tǒng)的超順磁行為對(duì)于抑制循環(huán)系統(tǒng)中的顆粒聚集是必要的[63]。如果關(guān)閉施加的外界磁場(chǎng),這時(shí)樣品的磁化強(qiáng)度就會(huì)瞬間消失。因此,生物相容性和可忽略不計(jì)的磁殘留性對(duì)于最終利用該系統(tǒng)在磁導(dǎo)藥物傳遞等應(yīng)用中都具有重要作用[63]。研究表明,四氧化三鐵納米顆粒具有生物相容性[64],當(dāng)其負(fù)載硅納米管,且在磁相互作用下時(shí),樣品的磁行為將存在顯著差異,特別是超順磁行為和阻態(tài)之間的轉(zhuǎn)變,如圖8所示。因此,由四氧化三鐵納米顆粒負(fù)載的硅納米管組成的納米復(fù)合材料系統(tǒng)在磁引導(dǎo)藥物給藥領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,并且研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)通過(guò)增加這些磁性納米結(jié)構(gòu)濃度時(shí)可以有助于它們?cè)隗w內(nèi)作為靶向載體。進(jìn)一步的研究表明,超順磁性氧化鐵納米顆粒可以有效地加載到不同硅納米管的內(nèi)部。在這種策略的指導(dǎo)下,可以通過(guò)外部磁場(chǎng)的作用將硅納米管表面的藥物靶向傳遞到指定的位置。這與用靶向部分(如抗體或肽)使硅納米管表面功能化,并隨之用所需要的治療藥物加載硅納米管內(nèi)部的方法形成了鮮明對(duì)比。

圖7 在37 ℃的磷酸鹽緩沖鹽(PBS)水中壁厚為10 nm、38 nm 和80 nm 的未退火硅納米管(a)和退火硅納米管(b)的溶解率百分比[54]Fig.7 Percentage of dissolution rates of unannealed silicon nanotubes (a) and annealed silicon nanotubes(b) with wall thickness of 10 nm,38 nm and 80 nm in 37 ℃ of phosphate-buffered salt (PBS) water[54]

圖8 裝載4 nm Fe3O4 的硅納米管:(a)外殼厚度為10 nm 的硅納米管;(b)外殼厚度70 nm 的SiNTs[63]Fig.8 SiNTs loaded with 4 nm iron tetraoxide:(a) SiNTs with a shell thickness of 10 nm and (b) SiNTs with a shell thickness of 70 nm[63]

3 硅納米管在未來(lái)的潛在應(yīng)用

3.1 在熱發(fā)電上的潛在應(yīng)用

人類在使用化石燃料的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量余熱,如果使用熱發(fā)電機(jī)就可以把余熱轉(zhuǎn)化為有用的電能,從而實(shí)現(xiàn)變廢為寶的可持續(xù)發(fā)展。然而傳統(tǒng)的熱電材料具有效率低、量稀缺、高成本和可伸縮性差等缺點(diǎn),這些缺點(diǎn)將不可避免地阻礙其實(shí)際應(yīng)用。有研究表明,納米技術(shù)可以有效提高豐富而廉價(jià)的材料熱電性能。有研究發(fā)現(xiàn),硅納米管具有優(yōu)異的熱電性能[65-66]。Alew 等[67]提出了以硅納米管作為熱發(fā)電材料的報(bào)道。他們對(duì)p型硅納米管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn),熱電轉(zhuǎn)化的性能提高了5倍。然而,目前想將硅納米管應(yīng)用到實(shí)際的設(shè)備中仍具有挑戰(zhàn),因?yàn)榉N種原因超出了其現(xiàn)有價(jià)值[68]。此外,想充分發(fā)揮出硅納米管的突出性能,必須解決的問(wèn)題還有小面積覆蓋、低適應(yīng)性和可伸縮性等[69]。

3.2 在熱電和隔熱上的潛在應(yīng)用

隨著電子器件的快速小型化和不斷增加的功耗等發(fā)展趨勢(shì),需要在納米級(jí)上進(jìn)行高效熱管理[70]。納米結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性能和不同優(yōu)化的方法在實(shí)驗(yàn)和理論上都得到了廣泛的研究,研究表明硅基納米結(jié)構(gòu)具有熱電應(yīng)用前景[71]。Boukai等[65-66]的研究表明由于聲子傳輸?shù)囊种?硅納米線與整體硅相比晶格導(dǎo)電率顯著較低,而硅納米管因?yàn)榫哂蟹浅４蟮谋眢w積比,在熱電應(yīng)用中更有前景。從分子動(dòng)力學(xué)的角度研究表明,在相同截面面積的情況下,硅納米管的室溫導(dǎo)熱率可以小到硅納米線的33% 左右,如圖9 所示[72]。Calina等[73]研究了多殼硅納米管的熱輸運(yùn)性能,他們采用原子晶格動(dòng)力學(xué)方法得到了聲子能譜。在弛豫時(shí)間近似范圍內(nèi),采用玻爾茲曼輸運(yùn)方程計(jì)算了導(dǎo)熱系數(shù),發(fā)現(xiàn)硅納米管與硅納米線相比,由于振動(dòng)譜在多殼硅納米管中重新分布,使得其聲子群速度和導(dǎo)熱率均降低。硅界面上的聲子散射是其導(dǎo)熱率降低的關(guān)鍵因素。此外,在彈性動(dòng)力學(xué)的框架內(nèi),分析了多殼硅納米管結(jié)構(gòu)中聲學(xué)聲子色散[74]。結(jié)果表明,殼的數(shù)量是影響聲子色散、結(jié)構(gòu)尺寸和聲阻抗不匹配的重要原因。隨著殼數(shù)的增加,其平均聲子群速度和均方根聲子群速度都顯著下降。導(dǎo)熱率(TC)隨著硅納米管殼層數(shù)量的增加而減小。進(jìn)一步的研究表明,隨著溫度、殼數(shù)和界面粗糙度的變化,硅納米管的導(dǎo)熱率比相應(yīng)的硅納米線低5～35倍。原因可以解釋為聲子能譜在硅納米管中重新分布,因此導(dǎo)致了更強(qiáng)的聲子限制和平均聲子群速度的降低。所以可以通過(guò)改變硅納米管的幾何參數(shù)(橫向截面、殼層厚度和數(shù)量等)來(lái)有效地抑制其聲子熱輸運(yùn)。與相應(yīng)的大塊材料相比,低維納米材料(納米線、薄膜和超晶格)的晶格導(dǎo)熱率顯著降低,表明使用它們進(jìn)行熱電和隔熱應(yīng)用是可行的。[65-66]而與其他低維納米結(jié)構(gòu)相比,硅納米管更適合于在熱電方面上的應(yīng)用。

圖9 (a)在300 K 的條件下硅納米線和硅納米管的導(dǎo)熱系數(shù)與橫截面積之間的關(guān)系;(b)不同溫度下SiNWs(橫截面積為7.37 nm2)和SiNTs(橫截面積為7.37 nm2)的導(dǎo)熱率數(shù)值[72]Fig.9 (a) The relationship between the thermal conductivity of the SiNWs and SiNTs and the cross-section product of 300 K and(b) the thermal conductivity values of the SiNWs (7.37 nm2)and SiNTs (7.37 nm2) at different temperatures[72]

3.3 在一維中空半導(dǎo)體納米器件上的潛在應(yīng)用

Tseng等[75]的研究發(fā)現(xiàn)硅納米管有著非常突出的表面潤(rùn)濕性和光學(xué)吸收性,這些性能可以為未來(lái)在設(shè)計(jì)和構(gòu)建各種多功能一維中空半導(dǎo)體納米器件中提供令人興奮的應(yīng)用前景。眾所周知固體表面水的濕潤(rùn)性由表面粗糙度、物質(zhì)組成和幾何結(jié)構(gòu)等因素決定。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)水滴滴入疏水納米結(jié)構(gòu)的表面上時(shí),水滴下面的空氣擴(kuò)散速度將被延遲,因此這導(dǎo)致了大量的空氣被困在疏水納米結(jié)構(gòu)的間隙中。大量的空氣滯留增加了其表面的疏水性。所以,硅納米管與平板硅襯底和硅納米棒材料相比,表現(xiàn)出更高的水接觸角。研究發(fā)現(xiàn),隨著硅納米管的長(zhǎng)度增長(zhǎng)測(cè)量的水接觸角值隨之增加。

同時(shí),為了研究不同類型硅納米管的光學(xué)性能,他們采用了配備集成球體的UV-Vis-NIR 光譜儀進(jìn)行總吸光度測(cè)量。結(jié)果表明硅納米管與平拋光硅襯底相比,在所研究的整個(gè)光譜范圍內(nèi)寬帶吸收率都是最高的,特別是隨著硅納米管的長(zhǎng)度增加,在可見光譜區(qū)域吸收率可達(dá)96%左右,這略高于硅納米棒的吸收率。在近紅外(1 200～1 600 nm)光譜區(qū)域,通過(guò)增加硅納米管的長(zhǎng)度,平均近紅外吸收率可從原來(lái)的約12%顯著提高至70%以上。因?yàn)樵诠杓{米管的制備過(guò)程中,可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)條件對(duì)管的間距、直徑和長(zhǎng)度等做出調(diào)整,因此在制造各種硅納米管基光伏光電器件中可得到實(shí)際應(yīng)用。

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了硅納米管在電子學(xué)領(lǐng)域、能量存儲(chǔ)領(lǐng)域、生物傳感器領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域上的最新研究進(jìn)展,以及未來(lái)在熱發(fā)電領(lǐng)域、熱電和隔熱領(lǐng)域及一維中空半導(dǎo)體納米器件領(lǐng)域上的潛在應(yīng)用前景。表明硅納米管具有巨大的應(yīng)用價(jià)值,是推動(dòng)未來(lái)科技發(fā)展非常理想的候選材料。同時(shí),要想實(shí)現(xiàn)和發(fā)揮出硅納米管更大的應(yīng)用價(jià)值,就必須要不斷改進(jìn)硅納米管的結(jié)構(gòu)(管的長(zhǎng)度、厚度和高純度等)和性質(zhì)(原位、非原位和表面摻雜等),使得硅納米管能夠更好的適應(yīng)和提高對(duì)未來(lái)發(fā)展的需要[76-79]。目前最有效提高硅納米管性質(zhì)的方法是摻雜(如摻雜磷和硼等),使其具有純硅納米管所不具備的新穎的電子、化學(xué)和機(jī)械性能[80]。