柔性透明自支撑硅纸的光学增强特性及其相关应用

Study and design of flexible, transparent and self-standing materials based on silicon nanostructure using the bottom-up procedures is very important for integration of next generation flexible devices with silicon-based integrated circuits. Moreover, such materials can take advantage of the unique excellent optoelctronic properties of the silicon nanowires, which is significant for the development of next generation novel flexible devices. In this project, we target at the design and study of flexible, transparent, and free-standing silicon nanowire substrates.Via optimizing the synthesisi procedures, we will firstly fabricate flexible, transparent, and self-assisted silicon nanowire substrates with controllable diameter and weave densities. Then we experimentally study the optical properties of flexible silicon nanowires net substrates by employing the dark-field microscopy and laser Raman spectrometer, and investigate the effects of different diameter and weave density on electromagnetic field enhancement. Moreover, on the basis of these (experimental) results, finite-difference time-domain (FDTD) simulations will be employed to study the electromagnetic coupling effects, which thereafter reveals the physics behind the optical enhancement properties of the flexible silicon paper.Finally, in view of the superior light enhanced properties, the flexible,transparent and self-standing silicon paper are studied as optical biosensor platform to achieve the fast, efficient detection of biological species (e.g., DNA and protein).

基于bottom-up的构筑方法，设计柔性、透明且自支撑的硅基纳米结构体系，不仅能促进柔性器件和传统硅基集成电路的完美融合，且能移植硅纳米结构优异的物理化学特性，对推动下一代新型柔性光电子器件发展具有重大的科学意义。基于以上认识，本项目以开展柔性、透明及自支撑的硅基纳米结构的相关应用为研究目标。首先通过对实验的优化设计，实现对柔性、透明、自支撑的硅纸的可控合成，制备出不同尺度和编织密度的硅纳米线结构基底，然后通过暗场显微镜和激光拉曼光谱仪从实验上来研究硅纳米线网络的光学增强行为，观察硅纳米线半径和编织密度对电磁场增强特性的影响，并在此基础上，利用有限差分时域方法从理论上研究其电磁场耦合情况，从而揭示柔性硅纸光学增强特性的物理本源。最后，利用其优异的光学增强特性，设计出新型柔性、透明、自支撑硅纸基生物光学传感平台，实现对DNA、氨基酸等生物分子的高效、快速检测和诊断。

硅是目前最为重要的半导体材料，可以是整个微电子工业的基石。随着近年来纳米科技的兴起，为硅基材料的发展提供了更多的机遇和挑战。实现传统的硅基材料在一些新兴领域中的应用，对于未来新型光电器件的发展具有重大的现实意义。本项目以柔性、透明及自支撑的新型硅纳米结构为研究对象，从理论和实验两个方面来开展相应的光学特性研究，继而实现其在光学传感方面的应用。按照研究计划，我们首先从理论上来开展硅纳米线的设计研究。通过考虑原子在纳米线表面和催化剂界面的扩散过程，发展了一个普适的原子传输控制的动力学模型去描述硅纳米线VSS生长的动力学过程。在该模型中，我们讨论不同条件下硅纳米线VSS生长速率对生长条件的依赖关系，如纳米线尺度、温度、压强以及纳米线长度等，揭示VSS生长过程中的各种动力学过程和生长限制步骤，并从理论上首次阐述了台阶周期性单相成核和流动的物理实质，从而为柔性、透明、自支撑的硅纳米线纸的可控优化设计提供了理论指导。接着，考虑到其独特的三维网络构造，我们从理论和实验两个方面来进一步研究柔性、透明、自支撑的硅纳米线纸的光学特性。由于交联硅纳米线之间强烈电磁耦合效应，硅纸在可见光范围内存在大量的热点和显示明显的光学增强行为，基于此特性，利用R6G做为探针分子，我们成功地观察了柔性、透明、自支撑的硅纳米线纸的拉曼增强特性，其检测浓度低至exp(-5) M。最后，通过复合金纳米粒子，我们进一步来提升硅纸的拉曼增强特性，制备出了柔性、透明的硅纳米线基复合拉曼传感平台。获益于该硅基平台的优异的柔性和透明性，该传感平台能够方便地贴合到水果表面，结合其优异的拉曼增强效应，我们能够对水果表面残余农药分子开展原位、无损的检测，其检测极限低至72 ng/cm2，远远低于杀虫剂允许残留剂量。该项目研究不仅仅扩展传统硅基材料的应用领域，并且对于发展下一代新型柔性硅基器件提供了一条新的设计思路和实验支撑。