硅納米片聚合物複合材料：石墨烯的一種代替品？

導讀

「硅納米片」，是一種很薄、二維層狀、具有特殊光電特性的材料。它與石墨烯極其相似，雖然穩定性比石墨烯差一些。最近，德國慕尼黑理工大學的科研人員首次製造了一種複合材料，它結合了硅納米片以及一種耐紫外線且易於製造的聚合物。這項創新發明，標誌著科學家在「柔性顯示器」和「光電感測器」的工業應用方向上，又邁出了卓有成效的一步。

螺旋擠壓狀的塗有聚合物的硅納米片在紫外線下。

（圖片來源: Tobias Helbich / 慕尼黑理工大學）

硅納米片潛力巨大

硅和碳類似，它也可以形成只有一個原子厚度的二維網路結構。2010年，安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫就是因為發現了石墨烯，獲得了諾貝爾獎。

一般來說，分層結構的材料具有獨特的光電屬性。所以，硅納米片在納米電子領域具有應用潛力，例如「柔性顯示器」、「場效應晶體管」、「光電探測器」。另外，因為它能夠存儲鋰離子，所以也可作為「可充電的鋰電池的陽極材料」。

慕尼黑工業大學高分子化學系的 Tobias Helbich 認為：

「硅納米片特別有意思，因為如今的信息技術建立在硅的基礎上，和石墨烯不一樣，基礎材料無需進行替換。

硅納米片的劣勢

對於硅納米片的劣勢，Tobias Helbich 又補充說：

「然而，納米片本身十分易碎，並且暴露於紫外線中，會十分快速地衰變。這些顯著地限制了它目前的應用。」

聚合物和納米片的完美結合

為了解決以上的問題，Helbich 和高分子化學系的主席 Bernhard Rieger 教授合作，首次成功地在「硅納米片中嵌入聚合物」，防止它們發生衰變。同時，納米片也可抗氧化。這是基於硅納米片的首個納米複合材料。

塗有納米複合材料的硅晶片

（圖片來源: Uli Benz / 慕尼黑理工大學）

Tobias Helbich 解釋道：

「讓我們的納米複合材料變得特殊的是，它可以結合兩種成分的優秀屬性。聚合物基體可吸收紫外線，穩定納米片，使其具有聚合物屬性，同時保持納米片優異的光電屬性。」

納米電子學工業應用的突破性進展

它的柔性以及對於外部影響的耐久性，也使得新開發的材料符合工業級聚合物技術標準。所以，使其離實際應用只有一步之遙。

這種複合材料特別適合未來納米電子領域的應用。「經典的」電子器件例如電路和晶體管，會以少於100納米的規模製造，這樣使得例如計算機處理器方面的全新技術得以實現。

這項研究是 ATUMS 研究生項目（阿爾伯塔大學 / 慕尼黑理工大學國際研究生院關於功能性複合材料方面）的一部分。德國和加拿大的科學在化學、電氣工程和物理領域緊密合作。他們的目標不僅是創建基於納米粒子和聚合物材料的新功能，而且同時開發了首個應用。

Alina Lyuleeva 在原子力顯微鏡下分析納米片

（圖片來源: Uli Benz / 慕尼黑理工大學）

光電探測器成為首個成功應用

這種納米複合材料的的首個成功的應用，由Helbich開發。最近以 ATUMS 研究生項目（阿爾伯塔大學 / 慕尼黑理工大學國際研究生院的功能性複合材料）的相關論文的形式發表。慕尼黑理工大學的 Alina Lyuleeva 、Paolo Lugli 教授，與Helbich、Rieger 合作，成功構建了一種「基於硅納米片的光電探測器」。

為此，他們將這種嵌入聚合物的硅納米片，安裝到塗有金觸點的硅氧化物的表面。因為它的尺寸微小，所以這種納米電子學的探測器，節省了不少空間和能量。

參考資料

【1】https://www.tum.de/en/about-tum/news/press-releases/detail/article/33796

【2】Alina Lyuleeva, Tobias Helbich, Bernhard Rieger, Paolo Lugli.Polymer-silicon nanosheet composites: bridging the way to optoelectronic applications. Journal of Physics D: Applied Physics, 2017; 50 (13): 135106 DOI: 10.1088/1361-6463/aa5005

【2】Tobias Helbich, Alina Lyuleeva, Theresa Ludwig, Lavinia M. Scherf, Thomas F. F?ssler, Paolo Lugli, Bernhard Rieger.One-Step Synthesis of Photoluminescent Covalent Polymeric Nanocomposites from 2D Silicon Nanosheets. Advanced Functional Materials, 2016; 26 (37): 6711 DOI: 10.1002/adfm.201602137

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！