超重力场诱导调控硅纳米线阵列制备及其高性能气敏器件的界面化学研究

Controllable fabrication of silicon nanowires array with top-down method and developing effective surface modification strategy are the key issues for their promising applications in the fields of energy harvesting, environmental protection, and molecule sensing. However, it is challenged by the obstacles of widely-used metal-assistant catalytic etching (MACE) process, such as: disordered motion of metal nanoparticles in etchant, hindered bubbles escaping, reluctant liquid mass transfer, as well as the complex surface sites and instability of silicon nanowires surfaces. This proposal suggests introducing high-gravity field in the conventional MACE method and developing surface modulation strategy with silanes to solve thses issues. In this project, we will 1) graft the large-scale chemical manufacturing technology into nanomaterials controllable synthesis process innovatively, study the influence of high-gravity field on metal nanoparticles movement, bubbles escaping and liquid mass transfer; 2) explore the dynamic of high-gravity field induced controllable fabrication of silicon nanowires array; 3) reveal the energetic dynamics of silicon nanowires surface modification induced surface transfer doping, based on functionally guided active design; 4) illuminate the response mechanism of silicon nanowires interfacial chemistry to their gas-phase sensing characteristics. The breakthroughs in this area will provide new theoretical and experimental basis for high-performance silicon nanowires array based gas-phase sensing devices.

硅纳米线阵列“自上而下”的可控制备及界面化学调制是实现其在能源、环境、检测等很多领域应用的关键科学问题。针对现有金属辅助刻蚀法制备硅纳米线阵列过程中金属纳米颗粒运动混乱、气泡逸出困难、液相传质受阻，以及硅纳米线表面态复杂、在空气中不稳定的瓶颈问题。本申请拟通过在刻蚀过程中引入超重力场，以“大化工”技术促进“小纳米”结构的可控，研究超重力场对颗粒运动、气泡成核及逸出、传质增强的作用机理，探寻超重力场诱导硅纳米线阵列可控制备的动力学因素；在此基础上，通过功能导向界面的主动设计，用结构多样、易于接枝的硅烷对硅纳米线进行界面调制，研究表面掺杂影响硅纳米线表面电子态、亲疏水性能的能量机制及规律，从分子尺度识别表面化学对硅纳米线气敏特性的影响机制。此方面的研究突破将为硅纳米线阵列基气敏器件的高效、特异性检测提供新的理论及实验基础。

基于硅材料在半导体领域的可设计加工性及电学性质的可调节性，硅纳米结构在能源、传感、生物等领域受到研究者的广泛关注。考虑到器件的活性表面积及材料制备的可重复性，“自上而下”法制备的竖直硅纳米线阵列，比“自下而上”法制备的平躺式硅纳米线阵列更有优势；结合电阻式传感器相较于FET式传感器在器件制备及检测上的简便性；因此，基于竖直硅纳米线阵列的电阻式气敏器件最有潜力实现高性能、低成本的气相传感。针对“自上而下”法制备硅纳米线阵列所面临的刻蚀颗粒混乱运动、气泡难以逸出、传质受阻等问题，引入超重力场对刻蚀过程进行调控，以期实现金属颗粒的限域性运动、促进气泡成核、同时加快刻蚀液传质。通过在不同超重力场下对硅纳米线阵列的制备结构进行研究发现，超重力场的引入可促进硅纳米线的均匀化制备，并且减少硅纳米线阵列的底部折断率，同时，硅纳米线阵列的制备速度也有较大的提升。通过利用硅烷分子、银纳米颗粒、石墨烯量子点等材料对硅纳米线阵列进行表面调制，发展了超灵敏传感器件。该器件实现了在水中及气相环境中的高灵敏传感，可对浓度低至10-12M的罗丹明B溶液及10ppm的二氧化氮气体分子分别实现识别。通过本项目的实施，研究了超重力场对金属纳米颗粒在刻蚀过程中的运动、气泡成核及逸出、增强传质方面的影响，揭示超重力场诱导硅纳米线阵列可控制备的动力学机制，实现高质量的硅纳米线阵列的大面积可控制备。此外，通过利用不同材料对硅纳米线阵列进行表面修饰剂表征，阐明了硅纳米线表面掺杂影响其表面电子态、亲疏水性能的能量机制及规律，为系统地研究硅纳米线界面化学调制对其气敏特性的影响提供理论依据。通过项目的实施，发表SCI论文3篇，申请中国发明专利5项，获授权中国发明专利2项，培养研究生3名，完成了所有预设目标。