新形式的硅可以彻底改变半导体行业

在一项为期10年的意外开始并遭到怀疑的研究之后，东北大学机械工程师团队能够合成高密度、超窄的硅纳米线，从而彻底改变半导体行业。他们的研究发表在NatureCommunications上。

东北大学机械与工业工程教授YungJoonJung说，这可能是他最喜欢的研究项目。

“一切都是新的，它需要很大的毅力，”Jung说，他专门研究纳米结构系统的工程和应用，之前研究过碳纳米管。

Jung和他的合作者，包括另一位东北部机械工程教授MoneeshUpmanyu，通过发现一种新的、高密度的硅形式并掌握一种新的、可扩展的无催化剂蚀刻工艺来生产超小尺寸，在纳米线合成方面取得了重大进展直径为2到5纳米的硅纳米线。

大约10年前，学生们将Jung的注意力带到了他们使用硅晶片进行的一项实验的一个不同寻常的结果上。荣格说，他在电子显微镜下看到的材料与他们打算生产的材料不同。

荣格说，他决定进一步了解这种物质，并发现它是具有“非常、非常微小”的线状纳米结构的硅。他说，他们能够复制新材料，但是当他们试图改进合成过程时，纳米线并没有生长。

这位科学家和他的团队不得不从头开始倒带研究合成机制以及材料的原子级结构和特性。实验家荣格决定招募Upmanyu，他使用理论、计算机建模和模拟来理解材料和解释实验。

“我总是需要莫尼什的帮助来了解正在发生的事情，”荣格说。

科学家们认为，在合成过程中由硅晶片产生的物质可能根本不是硅。Upmanyu说，这种材料具有高度压缩的结构，与普通硅相比减少了10%到20%，而普通硅在这种压缩状态下通常是不稳定的。

他们的一些同事和研究审稿人持有相同的观点。“他们会说，'这不应该是硅'或'这不应该发生在硅身上，'”Jung说。

他说，通过计算分析和建模，Upmanyu能够证明，尽管具有不同寻常的特性，但这种新材料是一种硅形式，顶部有一层非常薄的氧化物，这可能有助于维持压缩。

“这种材料非常有前途，”他说。“我觉得这种压缩是你看到的所有有趣特性的核心。”

Upmanyu说，硅被广泛用作计算机芯片、集成电路、晶体管、硅二极管和液晶显示器等微电子领域的半导体的原因之一是它便宜且丰富。根据英国皇家化学会的说法，它是地壳中仅次于氧的第二丰富元素，但它在自然界中并非以其纯净、未结合的状态存在。它可以在沙子、石英、燧石、花岗岩、云母和粘土以及其他石头和矿物中找到。

1970年代，欣欣向荣的硅电脑芯片产业甚至给旧金山湾的南部地区起了一个新的名字——“硅谷”——这个名字被《电子新闻》杂志的记者DonHoefler推广开来。

然而，传统的硅无法承受高温，因此仅限于低功率应用。它的带隙为1.11电子伏特(带隙决定了半导体材料中的电子在受到外部源刺激时导电所需的能量)。

荣格说，这种新材料具有4.16eV的超宽禁带宽度——这是一项世界纪录。超宽带隙意味着材料需要更大的刺激才能导电，但可以在高功率、高温和高频下工作。荣格说，由这种新材料生产的硅纳米线将适用于电力电子、晶体管、二极管和LED设备。

与普通硅不同，这种新材料具有很强的抗氧化性。它也是光致发光的——能够发出蓝光和紫光，可用于紫外线照明和蓝光二极管。

荣格和他的研究团队还创造了一种生产硅纳米线的新方法，称为化学气相蚀刻，该方法去除材料而不是生长晶体。因此，他们可以制造出比目前商业上使用的硅纳米线小10到20倍的纳米线。

先前已知的纳米线合成工艺使用催化剂颗粒来生长硅晶体。

“无催化剂方面怎么强调都不为过，因为它消除了在合成后去除催化剂的需要，这总是会降低纳米线的功能特性，”Jung说。

他说，有时，催化剂颗粒会成为纳米线表面的一部分，几乎不可能去除它们。

在这一点上，科学家们可以复制控制长度高达100微米的纳米线。

“我觉得未来会产生广泛的影响，”Upmanyu说。“他[Jung]开创的这种化学气相蚀刻方法将可用于许多其他材料……您不仅可以考虑电子应用，还可以考虑任何想要获得小尺寸尺寸的应用材料制成。……它非常强大。”

他说，新的硅材料对半导体行业应该很有吸引力。它可用于军用无线电、雷达和太阳能电池等光伏设备。Upmanyu说，常规的硅带隙不允许处理紫外线并将其用于发电。

“所以，如果你有一种便宜、丰富的宽带隙材料，就像硅一样，现在你就可以拥有非常高效的太阳能电池，”他说。

它甚至可以用于在水下收集太阳能。Upmanyu说，水会吸收红色和红外线光谱，因此能够收集蓝色和紫外线的太阳能电池变得至关重要。

荣格说，新的硅纳米线可以改善锂离子电池。Upmanyu说，进一步添加一些精选材料，如磷或氮(一种称为掺杂的技术)可以产生其他有趣的特性并允许其他应用。

Upmanyu说，他认为在这些硅纳米线中可以操纵各种有趣的量子现象，因为它们的尺寸非常小，这使得这种材料有望用于量子信息处理，甚至可能用于量子计算。

全球其他几家工程机构为这项研究做出了贡献，包括韩国科学技术研究院、韩国科学技术高等研究院、东京科学大学、中国科学技术大学和纽约伦斯勒理工学院。

研究还没有结束。科学家们仍然有兴趣更好地了解该过程背后的所有化学成分，并弄清楚为什么这种形式的硅的压缩如此稳定。他们希望优化蚀刻工艺以产生更光滑的表面并进一步扩大其用于工业应用的规模。

“你希望能够理解这个过程，以便你可以操纵它来做你想做的事情，”Upmanyu说。

他们还将寻找有兴趣使用这种新型硅材料制造设备的合作者。

“你想要一种新形式的东西被尽可能广泛地采用。我认为商业化和设备集成是这里的关键，”Upmanyu说。