纳米线性位移台

有电的地方就会产生热量，而这正是缩小电子设备的一个主要障碍。一个改变游戏规则的发现，可以通过传导更多的热量来加速计算机处理器的发展进程。TEM图像显示涂有二氧化硅（SiO2）的 28Si 纳米线。来源：Matthew R. Jones 和 Muhua Sun/莱斯大学科学家们已经验证了一种硅同位素（28Si）纳米线新材料，其热导率比先进芯片技术中使用的传统硅材料高出150%。这种超薄硅纳米线器件可以使更小、更快的微电子技术成为可能，其热传导效率超过了现有技术。由有效散热的微芯片驱动的电子器件反过来会消耗更少的能源——这一改进可以减轻燃烧富含碳的化石燃料产生的能源消耗，这种能源消耗导致了全球变暖。“通过克服硅导热能力的天然局限性，我们的发现解决了微芯片工程中的一个障碍，”报道此新研究成果的科学家 Junqiao Wu 说（课题组主页，https://wu.mse.berkeley.edu）。Wu 是加州大学伯克利分校材料科学系的一名教师科学家和材料科学与工程教授。01热量在硅中缓缓流动我们使用的电子产品相对便宜，因为硅 - 计算机芯片的首选材料 - 既便宜又丰富。可是，尽管硅是电的良导体，当它被缩小到非常小的尺寸时，它就不是热的良导体——而当涉及到快速计算时，这对微小的微芯片来说却是一个巨大问题。艺术家对微芯片的渲染。来源：dmitriy-orlovskiy/Shutterstock每个微芯片中都有数百亿个硅晶体管，它们引导电子进出存储单元，将数据比特编码为1和0，即计算机的二进制语言。电流在这些辛勤工作的晶体管之间流动，而这些电流不可避免地会产生热量。热量会自然地从热的物体流向冷的物体。但是热流在硅中变得很棘手。在自然形式中，硅由三种不同的同位素组成 - 化学元素的形式，其原子核中含有相同数量的质子，但中子数量不同（因此质量不同）。大约 92% 的硅由同位素 28Si 组成，它有14个质子和14个中子；大约 5% 是 29Si，有14个质子和15个中子；只有 3% 是 30Si，相对重量级为14个质子和16个中子，合作者 Joel Ager 解释道，他拥有 Berkelry Lab（伯克利实验室）材料科学部门的高级科学家头衔，也是 UC Berkeley（加州大学伯克利分校）材料科学与工程的兼职教授。左起：Wu Junqiao 和 Joel Ager。来源：Thor Swift/伯克利实验室 Joel Ager 的照片由加州大学伯克利分校提供作为声子，携带热量的原子振动波，在蜿蜒穿过硅的晶体结构时，当它们撞击 29Si 或 30Si 时方向会发生改变，它们不同的原子质量“混淆”声子，减慢它们的速度。“声子最终看到了这个表象，并找到了通往冷端以冷却硅材料的方法，”但这种间接的路径允许废热积聚，这反过来又会减慢您的计算机速度，Ager 说。02迈向更快、更密集的微电子学的一大步几十年来，研究人员推测，由纯 28Si 制成的芯片将克服硅的导热极限，从而提高更小、更密集的微电子器件的处理速度。但是，将硅提纯成单一同位素需要付出高昂的代价和能量水平，很少有设施可以满足 - 更没有哪家工厂能专门制造市场上可用的同位素材料，Ager 说。幸运的是，2000年代初的一个国际项目使 Ager 和杰出的半导体材料专家 Eugene Haller 能够从前苏联时代的同位素制造厂采购四氟化硅气体 - 同位素纯化硅的原料。（Haller 于1984年创立了伯克利实验室的美国能源部资助的电子材料项目，并曾是伯克利实验室材料科学部门的高级科学家和加州大学伯克利分校材料科学和矿物工程教授。）这直接导致了一系列开创性的实验研究，包括 2006 年发表在《自然》杂志上的一项成果，其中 Ager 和 Haller 将 28Si 塑造成单晶，他们用它来证明量子存储器将信息存储为量子比特或量子位，单位存储的数据同时作为 1 和 0 的电子自旋。99.92% 28Si 晶体的光学图像，伯克利实验室科学家 Junqiao Wu 和他的团队使用这种材料制备纳米线。来源：Junqiao Wu/伯克利实验室随后，用 Ager 和 Haller 提纯的硅同位素材料制成的半导体薄膜和单晶显示出比天然硅高 10%的热导率——这是一个进步，但从计算机工业的角度来看，可能不足以证明花一千多倍的钱用同位素纯硅制造一台计算机是合理的，Ager 说。但 Ager 知道，硅同位素材料在量子计算之外具有的科学重要性。因此，他把剩下的东西存放在伯克利实验室一个安全的地方，以备其他科学家可能的不时之需，因为他推断，很少有人有资源制造甚至购买到同位素纯硅。03用 28Si 实现更酷的技术之路大约三年前，Wu 和他的研究生 Ci Penghong 试图找到提高硅芯片传热速率的新方法。制造更高效晶体管的其中一项策略，涉及使用一种称为环栅场效应晶体管（Gate-All-Around Field Effect Transistor，GAAFET）的技术。在这些器件中，硅纳米线堆叠以导电，并同时产生热量，Wu 解释到。“如果产生的热量不能迅速排出，该器件将停止工作，这就像在没有疏散地图的高楼中发出火灾警报一样，”他说。FinFET（鳍式场效应晶体管）和环栅场效应晶体管（GAAFET）结构示意图。来源：Applied Materials但硅纳米线的热传递甚至更糟，因为它们粗糙的表面 - 化学处理的疤痕 - 更容易分散或“混淆”声子，他解释说。由硅纳米线桥接的两个悬浮垫组成的微器件的光学图像。来源：Junqiao Wu/伯克利实验室“然后有一天我们想知道，如果我们用同位素纯 28Si 制造纳米线会发生什么？”Wu 说。硅同位素不是人们可以在公开市场上能够轻松购买到的东西，有消息称，Ager 仍然在伯克利实验室储存了一些少量的硅同位素晶体，且仍然足以分享。“希望有人对如何使用它有一个很好的想法，” Ager 说，“如 Junqiao 的新研究就是一个很好的例证。”04纳米测试后的惊人大揭秘“我们真的很幸运，Joel 碰巧已经准备好了同位素富集的硅材料，正好可用于这项研究，”Wu 说。利用 Ager 提供的硅同位素材料，Wu 研究团队测试了 1 mm 尺寸的 28Si 晶体与天然硅的导热性 - 他们的实验再次证实了 Ager 和他的合作者几年前的发现 - 块状 28Si 的导热性仅比天然硅好 10%。尽管块状晶体硅具有相对较高的热导率（室温下 κ∼144 W/mK），但当其尺寸减小到亚微米范围时，由于声子显著的边界散射，κ 会受到强烈抑制。60 K 条件下，115 nm 尺寸的硅纳米线，κ~16 W/mK, DOI: 10.1063/1.1616981；300 K 条件下，31-50 nm 尺寸的硅纳米线，κ~8 W/mK，DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.105501。现在进行纳米级别测试。Ci 使用一种化学蚀刻技术制造了直径仅为 90 nm（十亿分之一米）的天然硅和 28Si 纳米线 - 大约比一根人类头发细1000倍。为了测量热导率，Ci 将单根纳米线悬浮于两个装有铂电极和温度计的微加热器垫之间，然后向电极施加电流以在一个垫上产生热量，然后通过纳米线流向另一个垫。“我们预计，使用同位素纯材料进行纳米线的热传导研究结果只会有 20% 的增量效益，” Wu 说。但 Ci 的测量结果让他们都感到惊讶。28Si 纳米线的热导率提高不是 10% 甚至 20%，而是比具有相同直径和表面粗糙度的天然硅纳米线好 150%。这大大的超出了他们的预期，Wu 说。纳米线粗糙的表面通常会减慢声子的速度，那这是怎么回事呢？莱斯大学（Rice University）的 Matthew R. Jones 和 Muhua Sun 捕获的材料高分辨率 TEM（透射电子显微镜）图像发现了第一条线索：28Si 纳米线表面上的玻璃状二氧化硅层（SiO2）。而纳米线导热性研究的知名专家 Zlatan Aksamija 领导的马萨诸塞大学阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst）研究团队计算模拟实验表明，同位素“缺陷”（29Si 和 30Si 的不存在）阻止了声子逃逸到表面，其中 SiO2 层会大大减慢声子的速度。这反过来又使声子沿着热流方向保持在轨道上 - 因此在 28Si 纳米线的“核心”内不那么“混淆”。（Aksamija 目前是犹他大学（theUniversity of Utah）材料科学与工程副教授。）“这真的出乎意料。发现了两个独立的声子阻断机制 - 表面和同位素，以前被认为彼此独立的 - 现在协同作用，这使我们在热传导研究中获得了非常令人惊讶的结果，却也非常令人满意，“Wu 说。“Junqiao 和团队发现了一种新的物理现象，”Ager 说，“对于好奇心驱动的科学研究来说，这是一个真正的胜利。这真的是太令人兴奋了。”研究小组接下来计划将他们的发现推进到下一个阶段：研究如何“控制，而不仅仅是测量这些材料的热传导性能”，Wu Junqiao 说。莱斯大学、马萨诸塞大学阿默斯特分校、深圳大学和清华大学的研究人员参与了研究工作。这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。原文信息Giant Isotope Effect of Thermal Conductivity in Silicon Nanowires，Penghong Ci, Muhua Sun, Meenakshi Upadhyaya, Houfu Song, Lei Jin, Bo Sun, Matthew R. Jones, Joel W. Ager, Zlatan Aksamija, and Junqiao Wu，Phys. Rev. Lett. 128, 085901 (2022)https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.085901

近日，北京科技大学材料科学与工程学院张跃教授研究团队指导的博士生李培峰在一维纳米材料在各种场下的服役方面的研究取得新进展，并以第一作者身份在《Nano Letters》(影响因子12.94)和《ACS Applied Materials and Interfaces》(影响因子5.90)分别发表论文一篇。 　　在张跃教授的指导下，李培峰与中科院物理所的合作者利用原位TEM机械共振，研究了ZnO微/纳米线在高周应变下的疲劳行为。系统研了ZnO微/纳米线的弹性模量随直径的变化以及ZnO微/纳米线共振振幅在阻尼效应作用下随共振时间及周次衰减的区别。ZnO微/纳米线经过108&minus 109周次共振都显示了良好的疲劳性能，而遭受电子束辐照10 min后的ZnO纳米线共振几秒后即发生断裂，这在国际上尚属首次发现。 　　研究结果为我们设计、构建、优化及应用基于ZnO纳米材料的力电纳米器件提供了有益的指导，也为工作在紫外光、X射线下的纳米材料及器件的安全服役提供了参考。 　　另外，李培峰还利用自己实验室搭建的纳米操控系统研究了ZnO纳米线在电场中的服役行为。研究发现ZnO纳米线电致损伤的阈值电压随直径的增大呈线性增大，而电流密度随直径的增大呈指数减小。并提出了热核-壳模型对ZnO纳米线的电致损伤机制进行解释。纳米材料电致损伤研究对指导光电、力电和压电纳米器件的实际应用是非常有必要的。 　　此外一系列利用AFM研究ZnO纳米线在力场及力电耦合场中的服役行为的研究结果尚未公开发表。

【研究背景】三维（3D）晶体半导体纳米线（如硅、锗或砷化镓）因其能通过蒸汽-液体-固体（VLS）生长法合成出极高的晶体质量而备受关注。这种方法中，纳米级液态“催化剂”将源材料从气相运输到固体晶体线的生长前沿。相较于传统的半导体材料，这些纳米线具有优异的光电性能和更高的热稳定性，广泛应用于光电子、能源转换等领域。然而，纳米线的生长过程中仍存在许多挑战，例如晶体缺陷和异质结界面问题，这些问题严重影响了器件的性能。为了解决这一问题，内布拉斯加大学林肯分校Peter Sutter, Shawn Wimer & Eli Sutter三个人在层状锗硫（GeS）纳米线的研究中取得了新进展。该团队通过金催化的低温VLS生长法成功合成了具有不同直径和均匀结构的GeS纳米线。这些纳米线的生长具有各向异性，且其c轴沿着纳米线的对称轴排列，而a和b方向的单位矢量则在垂直于纳米线的平面内。研究人员利用高分辨率透射电子显微镜（TEM）和高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）对GeS纳米线的晶体结构进行了表征，结果显示其晶格间距为1.06纳米。在对GeS纳米线的成像和进一步的衍射分析中，研究人员发现了无处不在的轴向螺位错，导致晶格的单向旋转现象。纳米线的直径与旋转角度之间的关系显示出直线依赖性，且细径纳米线的旋转角度相对更大。这种现象与Eshelby扭转理论相一致，研究表明，纳米线的螺位错和相应的扭转特性是其具有手性结构的重要原因。【表征解读】在本文中，作者采用了多种表征手段，重点通过扫描透射电子显微镜（STEM）及其电子衍射（ED）技术来研究纳米线的形态及其微观特征。具体而言，作者利用FEI Talos F200X型电子显微镜，通过小束电子衍射模式获取了纳米线的系列衍射图样，揭示了其近似的区轴特征。通过分析衍射图样，结合JEMS软件对数据进行处理，作者确定了样品的实际区轴，并计算了扭转角度。这一过程使作者深入理解了纳米线在微观尺度下的晶体结构变化。针对观察到的纳米线光致发光（PL）特性，本文进一步采用了阴极发光（CL）光谱技术，尤其是在STEM模式下的Gatan Vulcan CL装置。作者在110 K至300 K的温度范围内，以200 keV的电子能量对纳米线进行电子束激发，获得了纳米线的光谱特征。通过在纳米线上进行逐步的光谱线扫描，作者揭示了不同位置光谱特征的变化，发现在信号噪声比的变化下，光谱特征并未显著改变。这为后续对光谱特性的深入分析奠定了基础。为探讨在STEM-CL线扫描中观察到的宽光致发光峰的起源，本文进行了控制实验，分析了一根约5 μm长的GeS纳米线。通过分段扫描，作者观察到在不同的扫描位置上，谱线特征的重复出现。这种重复现象表明，局部产生的载流子（电子）在纳米线内发生了扩散，并且呈现出不对称的扩散特征。这表明载流子的扩散可能受到纳米线内部电场的影响，或者是由于局部扩散系数D的变化所致。这种现象可能与纳米线中的缺陷态填充以及电束激发载流子的再组合过程有关。在此基础上，作者将电子显微镜及阴极发光技术的结合，深入探讨了扭转莫尔（twist moiré）结构对光电性质的影响。通过对长GeS纳米线的光谱分析，作者观察到随着纳米线的扭转角度变化，电子结构的特征显著变化。结合Burgers矢量分析，作者确认了纳米线的螺旋结构，并观察到光谱特征在不同扭转区域的显著对应关系。总之，经过扫描透射电子显微镜（STEM）和阴极发光（CL）等多种表征手段的综合应用，本文深入分析了GeS纳米线的微观结构与光电性质之间的关系。这一研究不仅揭示了纳米线内部的载流子行为及其与缺陷态的相互作用，还为新型光电材料的设计提供了理论基础，推动了基于扭转莫尔结构的新材料的进步与应用。【图文速递】图1：扭曲的范德瓦尔斯纳米线。图2：分层GeS纳米线的Eshelby扭曲。图3：扭曲GeS纳米线的光电特性。【科学启迪】本文的研究揭示了扭曲GeS纳米线的光电特性与其扭转莫尔结构之间的密切关联。通过电子显微镜和衍射技术，科学家们探讨了纳米线的形态以及局部载流子分布的非对称性，进而分析了局部激发下载流子的漂移和扩散行为。这一发现强调了在纳米材料研究中，结构缺陷和界面效应对电荷载体行为的重要影响。此外，研究表明，扭曲莫尔结构在手性纳米线中呈现出独特的螺旋形态，这种结构的变化会对光发射特性产生显著影响，进而影响光电性能。进一步的研究可能会揭示更多关于电荷载流子动态及其与材料内部结构相互作用的机制，为新型光电器件的设计提供理论依据和技术指导。参考文献：Sutter, P., Wimer, S. & Sutter, E. Chiral twisted van der Waals nanowires. Nature 570, 354–357 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1147-x