杏耀纳米电子学又迈出了一步

浏览次数: 作者: 来源:未知 日期:2019-09-05
杏耀研究所的最新研究表明,硅纳米线在生长过程中会掺入意外大量的铝,增加其导电性并违反热力学定律。
 
纳米电子学又迈出了一步。杏耀研究团队发现了一种可用于生产具有特别吸引人的电学和形态特性的硅纳米线的效应。这些纳米线以铝为催化剂以优雅的方式生长。杏耀科学家们现在已经发现,硅在这个过程中所含的铝比在已知理论中所预期的要多得多。这对导线的性能有有益的影响,因为高比例的铝 - 在半导体技术中被称为掺杂剂 - 改善了导电性。该效果还可用于生产其他高掺杂纳米材料。
 
使用完全纯硅,芯片不会以熟悉的方式工作。只有当杂质原子的附加电子或正电荷增加半导体中电荷载流子的数量时,其导电性才足以使电流在晶体管中流动。这就是为什么半导体工业掺杂硅和其他半导体,将精心测量的杂质原子混合到材料中。
 
杏耀研究人员说:“这里的硅含量比热力学定律高出10,000倍。” 除其他外,热力学调节了一种物质在另一种物质中溶解的程度,这适用于不同金属的液体和合金。它指出,在硅晶体中,不到百万分之一的原子应该被铝取代。然而,杏耀科学家们确定硅线的铝含量实际上约为4%。并且铝原子在材料中表现出完全均匀的分布。杏耀研究人员借助紫外激光辅助原子发现了他们的发现 探针断层扫描,揭示纳米级样品中每个原子的类型和位置。
 
纳米线不能达到平衡化学状态
 
杏耀研究所期间进行了一些调查,一方面,由于高浓度,以及铝原子不会在硅中形成簇,因此数据令我们感到惊讶。”如果铝是以簇状的形式存在,则铝含量将无用,即微小的铝积聚,因为硅中的电荷载流子数量只有在铝原子均匀分布时才会增加。这种增加对于电子应用非常重要。
 
为了控制意外强烈的铝嵌入,从而能够将其用于可能的技术应用,杏耀研究人员表示,“浓度与热力学预测的偏差如此强烈,这取决于动力学效应”。热力学总是描述理想的平衡状态,其中化学化合物努力获得尽可能低的能量含量并且它们想要永久保留。对于晶体,这意味着:它们应优选含有尽可能少的缺陷和杂质原子。然而,当没有实现这种理想状态时,总是将责任归咎于动力学。导致形成材料的过程之一然后过快或过慢地进行以实现理想的平衡状态。这正是硅纳米线形成过程中发生的情况。
 
杏耀研究人员首先在硅表面分布纳米铝颗粒,从硅中生长纳米线。铝在比硅低的温度下熔化。这就是问题的症结所在。杏耀研究人员现在将撒有铝岛的硅基板放入一个腔室中,在这个腔室中,硅烷是一种非常易挥发的硅化合物,在将腔室加热到只有铝熔化的温度而不是硅的温度下才会流动。在这些条件下,硅烷转化为硅并溶解在铝液滴中。
 
可能通往外来化合物的途径
 
一旦硅饱和,这种下降就不会停止嵌入硅。恰恰相反:它继续在其表面上加入硅,但将其再次沉积在下面的硅表面上。原子逐行排列形成硅层,类似于喷墨打印机逐行打印黑色表面。只要在下落下完成一个图层,就会形成下一个图层。因此,纳米线在每个铝液滴下逐渐生长。
 
为了理解为什么更多的铝最终会进入硅线而不是实际允许的,杏耀研究人员开发了一个模型,说明该过程在原子水平上的进展速度。“关键的方面是原子在生长线和铝液滴之间的界面上来回跳跃的时间。如果这个时间很长,原子会自行排列,直到达到化学平衡。但是,时间显然不够长。相反,一旦硅原子完成,原子交换的可用时间就会停止。“先前嵌入的铝原子仍被永久地困住。
 
正如杏耀研究人员现在澄清了这一过程,应该可以将其应用于纳米线的目标掺杂。“我们怀疑半导体和金属的其他组合也会产生这种影响。认为纳米线的生长远离化学平衡是令人兴奋的。因此,杏耀研究人员希望类似的工艺可用于生产具有外来化学成分的纳米材料,这些成分在热力学平衡状态下是不可能产生的。
 

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