2024年2月7日

什么是纳米线以及它是如何制造的

作者 admin

纳米线的发展历史:

纳米线最初由贝尔实验室的科学家于 1987 年开发出来,作为第一个纳米级量子阱线(一种薄层半导体结构),比利时工程师 Jean-Pierre Colinge 于 1991 年开发并描述了一种更精细的纳米线设计。 从那时起,人们开始研究纳米线在光学、电子学和遗传学等许多领域的可能应用。 纳米线简介:

纳米线是直径约为10纳米(10纳米米或10-9米)的纳米结构。 纳米线可以定义为长宽比大于1000的结构,也可以理解为厚度或直径限制在几十纳米或更小、长度不受限制的结构。 在这个结构层次上,量子力学效应很重要,并创造了技术术语“纳米线”。 纳米线产品在应用领域有多种不同类型,包括超导系列产品:(如:YBCO)、金属(如:Ni、Pt、Au、Ag)、半导体(如:硅纳米线(SiNWs)、 InP、GaN)和绝缘材料(例如:SiO 2 、TiO 2 )。 分子纳米线由有机(例如DNA)或无机(例如Mo、MoSI)重复分子单元结构组成。

纳米_纳米材料_纳米镀膜

图1:纳米线纳米线是一种纳米结构,直径为纳米量级(10纳米米)。 它还可以被定义为长度与宽度的比率大于1000。或者,纳米线可以被定义为厚度或直径被限制为几十纳米或更小并且长度不受限制的结构。 在这些尺度上,量子力学效应非常重要——它创造了“量子线”这个术语。 存在许多不同类型的纳米线,包括超导(例如YBCO)、金属(例如Ni、Pt、Au)、半导体(例如硅纳米线(SiNW)、InP、GaN)和绝缘(例如SiO、TiO)。 分子纳米线由有机(例如DNA)或无机(例如MoSI)重复分子单元组成。如何制作纳米线材料:

纳米镀膜_纳米材料_纳米

图2:碳纳米管

纳米材料专家设计了两种主要的不同方法来构建纳米级的东西:自上而下的方法和自下而上的方法。 自上而下方法的本质是,如果你想制造大量的纳米线材料,你需要将其切割直到达到合适的尺寸。 自下而上的方法是一种组装过程,较小的颗粒连接在一起形成相对较大的结构。

尽管我们可以使用不同的方法来构建纳米线,但迄今为止还没有人找到一种使大规模生产可行的方法。 目前,科学家和工程师必须花费大量时间来制造微处理器芯片所需的纳米线材料的一小部分。 对于科学家和工程师来说,更大的挑战是找到一种方法来正确排列纳米线。 目前,小规模使得自动构建晶体管变得非常困难,工程师通常使用工具将电线操纵到位,同时通过高精度显微镜观察操作的每个细节。

自上而下的纳米线方法是科学家制造光纤纳米线的另一种方法。 光纤线以光的形式传输信息。 为了制造光纤纳米线,工程师首先使用普通光纤电缆。 有几种不同的方法可以将光纤电缆缩小到纳米级。

在第一种方法中,科学家可以加热由蓝宝石制成的棒,将电缆缠绕在棒上,然后拉动电缆,将其拉伸以形成纳米线。

第二种方法使用由一小块蓝宝石制成的微型炉技术,工程师通过该技术拉动光缆并将其拉伸成细纳米线。

第三种方法称为火焰刷,当科学家拉伸光纤时,在光纤下方使用火焰。 纳米线的应用:

※ 在遗传学领域,研究人员已经使用纳米线来制造人工蛋白质编码DNA。 这种纳米线是使用氨基酸形成的,氨基酸是蛋白质和 DNA 的组成部分。 该技术可用于促进蛋白质的产生或生产,从而推进蛋白质研究,并可能导致治疗应用的进步,例如功能失调蛋白质的替代或修复。

※纳米线可以由多种材料制成,包括硅、锗、碳以及金、铜等各种导电金属。 纳米线的小尺寸使其成为良好的导体,使电子可以轻松地通过它们。 这一特性导致了计算机科学的重要进步,例如使用专门的硫化镉纳米线来允许光子穿过电线的光学光子开关的开发。 并充当二进制信号(即0和1),有可能大大提高计算机速度。

硅纳米线:

硅纳米线,也称为SiNW,是最常通过蚀刻固体或通过气相或液相催化生长由硅前体形成的半导体纳米线。 SiNW 的初始合成通常伴随着热氧化步骤,以产生具有精确定制的尺寸和形态的结构。

硅及其不同的纳米结构已广泛应用于电子、光学和光伏领域。 硅的各种纳米结构为提高光伏、传感器、CMOS 和光学器件的性能创造了独特的机会。

硅纳米线在光伏中的应用:

SiNW 的许多特性使其成为光伏应用的潜在材料。 首先是抗反射性能。 SiNW 具有非常低的反射率,即它们吸收大部分入射光。 此外,由于SiNW与入射角无关,因此不需要额外的光跟踪支架,从而降低了光伏组件的成本。

第二个有益特性是SiNW的高纵横比,这有助于它们以更薄的硅结构吸收更多的阳光,从而降低材料成本。 在传统太阳能电池中,由于体硅的间接带隙,需要更厚的材料才能完全吸收。

第三是SiNWs的自清洁特性。 SiNW的某些独特结构使其本质上具有疏水性,表现出一种称为自清洁效应的特性。 在实际环境中,灰尘颗粒会积聚在光伏组件的表面。 结果,阳光被阻挡,从而降低了电力效率。 纳米线太阳能电池通过利用自清洁效应克服了这个问题。

光伏应用的另一个关键要求是吸收的光总量应转化为自由载流子。 这称为集光能力,它决定了可用于光电流转换的光子总数。 由于氮化硅是良好的吸收剂并且其光捕获能力很高,因此在商业太阳能电池中,表面具有纹理以减少反射,但这对于纳米线太阳能电池来说不是必需的。 ??????