如何讓半導體納米線自動開出金屬花來？

科技 04-03

如何讓半導體納米線自動開出金屬花來？

因為具有大的長徑比，可以縮短徑向的載流子遷移距離，一維納米材料（如納米線、納米棒等）受到廣泛關注。近年來對一維材料的修飾花樣也是層出不窮，在半導體納米線上沉積金屬的方式也多種多樣，如模板誘導沉積、光誘導沉積、化學浴等等。

3月14日，耶路撒冷希伯來大學的Roie Yerushalmi組採用Au納米顆粒作為催化劑，利用化學氣相沉積法（CVD）生長出SiGe納米線。進一步利用納米線頂端的Au觸發Cu、Ag、Au等鑄幣金屬在納米線頂端自發沉積，得到了納米線為核，金屬顆粒為殼的花狀結構。(Semiconductor-Metal Nano-Floret Hybrid Structures by Self-Processing Synthesis.J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/jacs.5b12667)

如何讓半導體納米線自動開出金屬花來？

圖1（a）為SiGe納米線頂端沉積Au、Ag、Cu的投射電鏡圖，（b）為開出金屬花的納米線的結構示意圖

該文章的亮點在於利用水刻蝕納米線表面氧化物層，利用納米線頂端Au顆粒轉移電子，促使Au、Ag、Cu等金屬自發在半導體納米線頂端沉積。通過控制水的濃度和半導體中Si/Ge比，可以控制頂端沉積金屬的尺寸和沉積範圍，得到結構可控的半導體、金屬複合結構（納米線長度為1-100 μm，金屬殼長度為50-500 nm，直徑為10-100 nm）。此外，通過添加表面活性劑可以進一步降低表面金屬的顆粒尺寸，如添加烷基硫醇後沉積的金納米顆粒直徑由17 nm減小到3 nm。所製備的半導體/金屬複合結構可廣泛應用於光催化、感測器和光學研究等領域。

Yerushalmi等也通過原位掃描隧道顯微鏡（STEM）、透射電鏡（TEM）和電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）等測試方法對納米線「自動開花」的過程進行了研究。結果顯示SiGe和Au形成的肖特基結促進界面處電荷轉移，有利於水與表面氧化物層進行反應，暴露的SiGe半導體與反應物中金屬離子發生置換反應，在納米線表面形成金屬顆粒。這一反應機理與傳統的Top-down方法中的金屬沉積機理類似，但該文章中的方法簡單易行，大大降低製備時間和生產成本。

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