应变加载对纳米尺度Si电学性能调控的研究

Compared with their bulk materials, the loadable stress/strain of nanomaterials will be improved largely which may induce strained physics of.nanomaterials to be a new research system. The study of electrical transport properties of nano-structured strained silicon will promote the development of nano-scaled pressure sensors, flexible devices and also improve the properties of CMOS chips of computers and other electonic devices. Our previous built system will be used to monitor the change of the electrical transport properties in transimission electron microscope when stress is loaded to the nano-scaled Si and then the piezoresistive characteristics will be studied according to these experimental data. The effect of crystallographic orientations, size, dopant, applied stress states on piezoresistive characteristics will be paid attention and the sensitive factors will be explored. In this project, new phenomena may occur when the Si nanowires are applied large stress and the corresponding physical mechanisms will be studied. We also will investigate the change of electrical properties when Si nanowires take place the elastic to plastic transition or crystal to amorphous transition. We try to discover and know well the piezoresistive characteristics of nano-structured Si, to give the judgment for devising devices effectively and help for the failure study of flexible devices based on nano-structured Si.

相比体材料而言，半导体纳米材料可承载的应变提高2-3个量级，致使纳米尺度下的应变物理学成为一个新的研究热点体系，备受人们的关注。纳米尺度Si应变加载下电学输运性能变化（即压阻特性）的研究，不仅推动着纳米压阻传感器和柔性器件的发展，也促使计算机等电子产品芯片性能的提高。我们利用前期电子显微镜中搭建好的纳米操控及性能测试平台，原位监测应变加载下Si纳米线电学性能的变化，开展单体Si纳米线压阻特性规律的研究。本项目拟考察Si纳米线晶体学取向、尺寸、掺杂、应力加载状态等方面的改变对压阻特性的影响，获得最佳压阻敏感因素；探索大应变加载下，物理性能可能发生的改变，探讨其物理机理；考察在应变加载和外场耦合作用下，晶体结构发生失稳及晶体到非晶转变过程中，电学性能的变化。通过本项目的研究，把握纳米Si的压阻特性，为高效的器件开发设计提供依据，也为基于纳米Si的柔性器件的失效研究提供帮助。

相比体材料而言，半导体纳米材料可承载的应变提高2-3个量级，致使纳米尺度下的应变物理学成为一个新的研究热点体系，备受人们的关注。纳米尺度Si应变加载下电学输运性能变化（即压阻特性）的研究，不仅推动着纳米压阻传感器和柔性器件的发展，也促使计算机等电子产品芯片性能的提高。.本项目以Si 纳米线为主要研究对象，探索、研究如何利用应变，实现对Si 纳米线的电学输运性能的调控，具体如下：.1）本项目利用FIB对不同的Si衬底进行了切割，获得了不同掺杂、不同取向包括[100]、[110]、[111]纳米线单轴拉伸、单轴压缩以及弯曲下的电学性能变化的测试；.2）本项目阐述了应变状态（拉、压、弯曲）、掺杂种类、晶体学取向对Si纳米线输运性能的调控影响，发现了n型[100]硅纳米线对压缩应变最敏感；.3）对Si纳米线原位弯曲过程中，发现当出现单个塑性行为时，电学性能会有些许跳动，但对整体性能并未出现大幅下降；.4）本项目对Si纳米线进行了最大应变超过8%的加载，电学输运性能出现较大改变，但并未出现反常的物理现象，整体与文献报道的体材料硅的规律一致，压阻系数较体材料略微减小；.5）本项目还对其他半导体纳米线进行了应变加载下电学性能的研究工作，如对ZnO, InAs等纳米线，发现了一些奇异的物理现象，并揭示了相应的物理机理。.本项目的研究成果对于人们拓展半导体纳米材料应变工程领域具有重要的指导意义。.本项目在Nano Letters, Carbon, Appl.Phys.Lett., Nanotechnology等国际/国内知名期刊发表论文18篇，获批中国发明专利3项。共计培养研究生6人；项目组2名成员获北京市科学技术一等奖；项目组成员受邀参加国际国内会议6次，并作邀请报告。