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Nanocables de silicio

Agosto 07, 2021

Los nanocables de silicio, también conocidos como SiNWs (en inglés), son un tipo de nanocables semiconductores que se forman con mayor frecuencia a partir de un precursor de silicio por ataque químico de un sólido o por crecimiento catalizado a partir de una fase de vapor o líquido. Esos nanocables tienen aplicaciones prometedoras en baterías de iones de litio, termoeléctricos y sensores . La síntesis inicial de los SiNWs suele ir acompañada de pasos de oxidación térmica para obtener estructuras de tamaño y morfología adaptados con precisión.[1]​

Los SiNW tienen propiedades únicas que no se ven en materiales de silicio a granel (tridimensionales). Estas propiedades surgen de una estructura electrónica casi unidimensional inusual y son objeto de investigación en numerosas disciplinas y aplicaciones. La razón por la que los SiNW se consideran uno de los materiales unidimensionales más importantes es que podrían tener la función de bloques de construcción para la electrónica de nanoescala ensamblada sin la necesidad de instalaciones de fabricación complejas y costosas. [2]​ Los SiNWs son frecuentemente estudiados para aplicaciones que incluyen la fotovoltaica, las baterías de nanocables, la termoeléctrica y la memoria no volátil.[3]​

Aplicaciones

Debido a sus propiedades físicas y químicas únicas, los nanocables de silicio son un candidato prometedor para una amplia gama de aplicaciones que se basan en sus características físico-químicas únicas, que difieren de las del material de silicio a granel. [1]​

Los SiNWs exhiben un comportamiento de captura de cargas que hace que estos sistemas sean valiosos en aplicaciones que requieren la separación de los huecos de los electrones como la fotovoltaica y los fotocatalizadores. [4]​ El reciente experimento con células solares de nanocables ha llevado a una notable mejora de la eficiencia de conversión de energía de las células solares de SiNW de <1% a >17% en los últimos años.[5]​

El comportamiento de captura de carga y las propiedades de transporte reguladas por la superficie ajustable de los SiNW hacen que esta categoría de nanoestructuras sea de interés para su uso como aisladores metálicos y transistores de efecto de campo, [6]​ con otras aplicaciones como dispositivos de almacenamiento nanoelectrónicos, [7]​ en memoria flash, dispositivos lógicos así como en sensores químicos y biológicos.[3]​ [8]​

La capacidad de los iones de litio para intercalarse en estructuras de silicio hace que varias nanoestructuras de silicio sean interesantes para aplicaciones como ánodos en baterías de iones de litio (LiBs) . Los SiNW tienen un mérito particular como tales ánodos ya que exhiben la capacidad de someterse a una litiación significativa mientras mantienen la integridad estructural y la conectividad eléctrica. [9]​

Los nanocables de silicio son generadores termoeléctricos eficientes porque combinan una alta conductividad eléctrica, debido a las propiedades de volumen del Si dopado, con baja conductividad térmica debido a la pequeña sección transversal. [10]​

Síntesis

Se conocen varios métodos de síntesis para SiNW y estos se pueden dividir en términos generales en métodos que comienzan con silicio a granel y eliminan material para producir nanocables, también conocidos como síntesis de arriba hacia abajo, y métodos que utilizan un precursor químico o de vapor para construir nanocables en un proceso generalmente considerado como síntesis de abajo hacia arriba. [3]​

Métodos de síntesis de arriba hacia abajo

Estos métodos utilizan técnicas de eliminación de material para producir nanoestructuras a partir de un precursor a granel

Métodos de síntesis de abajo hacia arriba

  • Crecimiento de vapor líquido sólido (VLS) : un tipo de CVD catalizada que a menudo usa silano como precursor de Si y nanopartículas de oro como catalizador (o 'semilla'). [3]​
  • Epitaxia del haz molecular: una forma de PVD aplicada en un entorno de plasma [12]​
  • Precipitación de una solución: una variación del método VLS, llamado acertadamente líquido supercrítico líquido sólido (SFLS), que utiliza un fluido supercrítico (por ejemplo, organosilano a alta temperatura y presión) como precursor de Si en lugar de vapor. El catalizador sería una solución coloide, como las nanopartículas de oro coloidales, y los SiNW crecen en esta solución [14]​

Oxidación térmica

Después del procesamiento físico o químico, ya sea de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba, para obtener nanoestructuras de silicio iniciales, a menudo se aplican etapas de oxidación térmica para obtener materiales con el tamaño y la relación de aspecto deseados. Los nanocables de silicio exhiben un comportamiento de oxidación autolimitante distinto y útil por el cual la oxidación cesa efectivamente debido a limitaciones de difusión, que pueden modelarse.[1]​ Este fenómeno permite un control preciso de las dimensiones y las relaciones de aspecto en SiNW y se ha utilizado para obtener SiNW de alta relación de aspecto con diámetros inferiores a 5   nm. [15]​ La oxidación autolimitada de los SiNW es valiosa para los materiales de las baterías de iones de litio.

Orientación de nanocables

La orientación de los SiNW tiene una profunda influencia en las propiedades estructurales y electrónicas de los sistemas. [16]​ Por esta razón, se han propuesto varios procedimientos para la alineación de nanocables en las orientaciones elegidas. Esto incluye el uso de campos eléctricos en alineación polar, electroforesis, métodos mircofluídicos e impresión de contacto.

Panorama

Existe un gran interés en los SiNW por sus propiedades únicas y la capacidad de controlar el tamaño y la relación de aspecto con gran precisión. Hasta ahora, las limitaciones en la fabricación a gran escala impiden la absorción de este material en la gama completa de aplicaciones investigadas. Los estudios combinados de los métodos de síntesis, la cinética de oxidación y las propiedades de los sistemas de SiNW tienen como objetivo superar las limitaciones actuales y facilitar la implementación de los sistemas de SiNW, por ejemplo, los SiNW de alta calidad de crecimiento vapor-líquido-sólido con superficies lisas pueden estirarse de forma reversible con un 10% o más de tensión elástica, acercándose al límite elástico teórico del silicio, lo que podría abrir las puertas a la emergente "ingeniería de tensión elástica" y a la bio-/nanoelectrónica flexible [17]​

Referencias

  1. ↑ Liu, M.; Peng, J. (2016). «Two-dimensional modeling of the self-limiting oxidation in silicon and tungsten nanowires». Theoretical and Applied Mechanics Letters 6 (5): 195-199. doi:10.1016/j.taml.2016.08.002. 
  2. Yi, Cui; Charles M., Lieber (2001). «Functional Nanoscale Electronic Devices Assembled Using Silicon Nanowire Building Blocks». Science 291 (5505): 851-853. Bibcode:2001Sci...291..851C. PMID 11157160. doi:10.1126/science.291.5505.851. 
  3. ↑ Mikolajick, Thomas; Heinzig, Andre; Trommer, Jens (2013). «Silicon nanowires–a versatile technology platform». Physica Status Solidi RRL 7 (10): 793-799. Bibcode:2013PSSRR...7..793M. doi:10.1002/pssr.201307247. 
  4. Yu, Peng; Wu, Jiang; Liu, Shenting; Xiong, Jie; Jagadish, Chennupati; Wang, Zhiming M. (1 de diciembre de 2016). «Design and fabrication of silicon nanowires towards efficient solar cells». Nano Today 11 (6): 704-737. doi:10.1016/j.nantod.2016.10.001. 
  5. Yu, Peng; Wu, Jiang; Liu, Shenting; Xiong, Jie; Jagadish, Chennupati; Wang, Zhiming M. (1 de diciembre de 2016). «Design and fabrication of silicon nanowires towards efficient solar cells». Nano Today 11 (6): 704-737. doi:10.1016/j.nantod.2016.10.001. 
  6. Cui, Yi; Zhong, Zhaohui; Wang, Deli; Wang, Wayne U.; Lieber, Charles M. (2003). «High Performance Silicon Nanowire Field Effect Transistors». Nano Letters 3 (2): 149-152. Bibcode:2003NanoL...3..149C. doi:10.1021/nl025875l. 
  7. Tian, Bozhi; Xiaolin, Zheng (2007). «Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronic power sources». Nature 449 (7164): 885-889. Bibcode:2007Natur.449..885T. PMID 17943126. doi:10.1038/nature06181. 
  8. ↑ Mikolajick, Thomas; Heinzig, Andre; Trommer, Jens (2013). «Silicon nanowires–a versatile technology platform». Physica Status Solidi RRL 7 (10): 793-799. Bibcode:2013PSSRR...7..793M. doi:10.1002/pssr.201307247. 
  9. Chan, C.; Peng, H. (2008). «High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires». Nature Nanotechnology 3 (1): 31-35. Bibcode:2008NatNa...3...31C. PMID 18654447. doi:10.1038/nnano.2007.411. 
  10. Zhan, Tianzhuo; Yamato, Ryo; Hashimoto, Shuichiro; Tomita, Motohiro; Oba, Shunsuke; Himeda, Yuya; Mesaki, Kohei; Takezawa, Hiroki et al. (2018). «Miniaturized planar Si-nanowire micro-thermoelectric generator using exuded thermal field for power generation». Science and Technology of Advanced Materials 19 (1): 443-453. Bibcode:2018STAdM..19..443Z. PMC 5974757. PMID 29868148. doi:10.1080/14686996.2018.1460177. 
  11. Huang, Z.; Fang, H.; Zhu, J. (2007). «Fabrication of silicon nanowire arrays with controlled diameter, length, and density». Advanced Materials 19 (5): 744-748. doi:10.1002/adma.200600892. 
  12. ↑ Shao, M.; Duo Duo Ma, D.; Lee, ST (2010). «Silicon nanowires–synthesis, properties, and applications». European Journal of Inorganic Chemistry 2010 (27): 4264-4278. doi:10.1002/ejic.201000634. 
  13. Huang, Zhipeng; Geyer, Nadine; Werner, Peter; Boor, Johannes de; Gösele, Ulrich (2011). «Metal-Assisted Chemical Etching of Silicon: A Review». Advanced Materials (en inglés) 23 (2): 285-308. ISSN 1521-4095. PMID 20859941. doi:10.1002/adma.201001784. 
  14. Holmes, J.; Keith, P.; Johnston, R.; Doty, C. (2000). «Control of thickness and orientation of solution-grown silicon nanowires». Science 287 (5457): 1471-1473. Bibcode:2000Sci...287.1471H. PMID 10688792. doi:10.1126/science.287.5457.1471. 
  15. Liu, H.I.; Biegelsen, D.K.; Ponce, F.A.; Johnson, N.M.; Pease, R.F.W. (1994). «Self-limiting oxidation for fabricating sub-5 nm silicon nanowires». Applied Physics Letters 64 (11): 1383. Bibcode:1994ApPhL..64.1383L. doi:10.1063/1.111914. 
  16. Justo, J.F.; Menezes, R.D.; Assali, L.V.C. (2007). «Stability and plasticity of silicon nanowires: The role of wire perimeter». Phys. Rev. B 75 (4): 045303. Bibcode:2007PhRvB..75d5303J. arXiv:1307.3274. doi:10.1103/PhysRevB.75.045303. 
  17. Zhang, H.; Tersoff, J.; Xu, S. (2016). «Approaching the ideal elastic strain limit in silicon nanowires». Science Advances 2 (8): e1501382. Bibcode:2016SciA....2E1382Z. PMC 4988777. PMID 27540586. doi:10.1126/sciadv.1501382. 
  •   Datos: Q28324872

Agosto 07, 2021
nanocables, silicio, nanocables, silicio, también, conocidos, como, sinws, inglés, tipo, nanocables, semiconductores, forman, mayor, frecuencia, partir, precursor, silicio, ataque, químico, sólido, crecimiento, catalizado, partir, fase, vapor, líquido, esos, n. Los nanocables de silicio tambien conocidos como SiNWs en ingles son un tipo de nanocables semiconductores que se forman con mayor frecuencia a partir de un precursor de silicio por ataque quimico de un solido o por crecimiento catalizado a partir de una fase de vapor o liquido Esos nanocables tienen aplicaciones prometedoras en baterias de iones de litio termoelectricos y sensores La sintesis inicial de los SiNWs suele ir acompanada de pasos de oxidacion termica para obtener estructuras de tamano y morfologia adaptados con precision 1 Los SiNW tienen propiedades unicas que no se ven en materiales de silicio a granel tridimensionales Estas propiedades surgen de una estructura electronica casi unidimensional inusual y son objeto de investigacion en numerosas disciplinas y aplicaciones La razon por la que los SiNW se consideran uno de los materiales unidimensionales mas importantes es que podrian tener la funcion de bloques de construccion para la electronica de nanoescala ensamblada sin la necesidad de instalaciones de fabricacion complejas y costosas 2 Los SiNWs son frecuentemente estudiados para aplicaciones que incluyen la fotovoltaica las baterias de nanocables la termoelectrica y la memoria no volatil 3 Indice 1 Aplicaciones 2 Sintesis 2 1 Metodos de sintesis de arriba hacia abajo 2 2 Metodos de sintesis de abajo hacia arriba 2 3 Oxidacion termica 3 Orientacion de nanocables 4 Panorama 5 ReferenciasAplicaciones EditarDebido a sus propiedades fisicas y quimicas unicas los nanocables de silicio son un candidato prometedor para una amplia gama de aplicaciones que se basan en sus caracteristicas fisico quimicas unicas que difieren de las del material de silicio a granel 1 Los SiNWs exhiben un comportamiento de captura de cargas que hace que estos sistemas sean valiosos en aplicaciones que requieren la separacion de los huecos de los electrones como la fotovoltaica y los fotocatalizadores 4 El reciente experimento con celulas solares de nanocables ha llevado a una notable mejora de la eficiencia de conversion de energia de las celulas solares de SiNW de lt 1 a gt 17 en los ultimos anos 5 El comportamiento de captura de carga y las propiedades de transporte reguladas por la superficie ajustable de los SiNW hacen que esta categoria de nanoestructuras sea de interes para su uso como aisladores metalicos y transistores de efecto de campo 6 con otras aplicaciones como dispositivos de almacenamiento nanoelectronicos 7 en memoria flash dispositivos logicos asi como en sensores quimicos y biologicos 3 8 La capacidad de los iones de litio para intercalarse en estructuras de silicio hace que varias nanoestructuras de silicio sean interesantes para aplicaciones como anodos en baterias de iones de litio LiBs Los SiNW tienen un merito particular como tales anodos ya que exhiben la capacidad de someterse a una litiacion significativa mientras mantienen la integridad estructural y la conectividad electrica 9 Los nanocables de silicio son generadores termoelectricos eficientes porque combinan una alta conductividad electrica debido a las propiedades de volumen del Si dopado con baja conductividad termica debido a la pequena seccion transversal 10 Sintesis EditarSe conocen varios metodos de sintesis para SiNW y estos se pueden dividir en terminos generales en metodos que comienzan con silicio a granel y eliminan material para producir nanocables tambien conocidos como sintesis de arriba hacia abajo y metodos que utilizan un precursor quimico o de vapor para construir nanocables en un proceso generalmente considerado como sintesis de abajo hacia arriba 3 Metodos de sintesis de arriba hacia abajo Editar Estos metodos utilizan tecnicas de eliminacion de material para producir nanoestructuras a partir de un precursor a granel Ablacion con rayo laser 8 Grabado con haz de iones 11 Crecimiento asistido por oxido por evaporacion termica OAG 12 Grabado quimico asistido por metal MaCE 13 Metodos de sintesis de abajo hacia arriba Editar Crecimiento de vapor liquido solido VLS un tipo de CVD catalizada que a menudo usa silano como precursor de Si y nanoparticulas de oro como catalizador o semilla 3 Epitaxia del haz molecular una forma de PVD aplicada en un entorno de plasma 12 Precipitacion de una solucion una variacion del metodo VLS llamado acertadamente liquido supercritico liquido solido SFLS que utiliza un fluido supercritico por ejemplo organosilano a alta temperatura y presion como precursor de Si en lugar de vapor El catalizador seria una solucion coloide como las nanoparticulas de oro coloidales y los SiNW crecen en esta solucion 14 Oxidacion termica Editar Despues del procesamiento fisico o quimico ya sea de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba para obtener nanoestructuras de silicio iniciales a menudo se aplican etapas de oxidacion termica para obtener materiales con el tamano y la relacion de aspecto deseados Los nanocables de silicio exhiben un comportamiento de oxidacion autolimitante distinto y util por el cual la oxidacion cesa efectivamente debido a limitaciones de difusion que pueden modelarse 1 Este fenomeno permite un control preciso de las dimensiones y las relaciones de aspecto en SiNW y se ha utilizado para obtener SiNW de alta relacion de aspecto con diametros inferiores a 5 nm 15 La oxidacion autolimitada de los SiNW es valiosa para los materiales de las baterias de iones de litio Orientacion de nanocables EditarLa orientacion de los SiNW tiene una profunda influencia en las propiedades estructurales y electronicas de los sistemas 16 Por esta razon se han propuesto varios procedimientos para la alineacion de nanocables en las orientaciones elegidas Esto incluye el uso de campos electricos en alineacion polar electroforesis metodos mircofluidicos e impresion de contacto Panorama EditarExiste un gran interes en los SiNW por sus propiedades unicas y la capacidad de controlar el tamano y la relacion de aspecto con gran precision Hasta ahora las limitaciones en la fabricacion a gran escala impiden la absorcion de este material en la gama completa de aplicaciones investigadas Los estudios combinados de los metodos de sintesis la cinetica de oxidacion y las propiedades de los sistemas de SiNW tienen como objetivo superar las limitaciones actuales y facilitar la implementacion de los sistemas de SiNW por ejemplo los SiNW de alta calidad de crecimiento vapor liquido solido con superficies lisas pueden estirarse de forma reversible con un 10 o mas de tension elastica acercandose al limite elastico teorico del silicio lo que podria abrir las puertas a la emergente ingenieria de tension elastica y a la bio nanoelectronica flexible 17 Referencias Editar a b c Liu M Peng J 2016 Two dimensional modeling of the self limiting oxidation in silicon and tungsten nanowires Theoretical and Applied Mechanics Letters 6 5 195 199 doi 10 1016 j taml 2016 08 002 Yi Cui Charles M Lieber 2001 Functional Nanoscale Electronic Devices Assembled Using Silicon Nanowire Building Blocks Science 291 5505 851 853 Bibcode 2001Sci 291 851C PMID 11157160 doi 10 1126 science 291 5505 851 a b c d Mikolajick Thomas Heinzig Andre Trommer Jens 2013 Silicon nanowires a versatile technology platform Physica Status Solidi RRL 7 10 793 799 Bibcode 2013PSSRR 7 793M doi 10 1002 pssr 201307247 Yu Peng Wu Jiang Liu Shenting Xiong Jie Jagadish Chennupati Wang Zhiming M 1 de diciembre de 2016 Design and fabrication of silicon nanowires towards efficient solar cells Nano Today 11 6 704 737 doi 10 1016 j nantod 2016 10 001 Yu Peng Wu Jiang Liu Shenting Xiong Jie Jagadish Chennupati Wang Zhiming M 1 de diciembre de 2016 Design and fabrication of silicon nanowires towards efficient solar cells Nano Today 11 6 704 737 doi 10 1016 j nantod 2016 10 001 Cui Yi Zhong Zhaohui Wang Deli Wang Wayne U Lieber Charles M 2003 High Performance Silicon Nanowire Field Effect Transistors Nano Letters 3 2 149 152 Bibcode 2003NanoL 3 149C doi 10 1021 nl025875l Tian Bozhi Xiaolin Zheng 2007 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