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細矽奈米線 驚奇大無限

你是否能想像肉眼看不到的矽奈米線,在半導體元件中扮演著重要的角色?多孔隙矽奈米線陣列可以吸收光能,把髒汙趕走,小小的奈米線發揮的作用可大呢!
 
 
 
嗨  Nano

奈米科技無疑是人類近代最偉大的發明之一,被尊稱為奈米科技之父的諾貝爾物理獎得主理查.費曼,曾在演講中說道:「在微小世界裡仍有許多的空間,」更成為奈米科技的名言,也開啟了奈米科學的研究。

不可思議的,現在已合成出許多奈米結構,如奈米粒子、奈米線、奈米管、奈米片等。可別小看這些肉眼看不見的小東西,它們可是一直都存在於你我的日常生活中呢!食、衣、住、行、育、樂,幾乎樣樣都可以看見奈米科技帶給人類更方便、舒適的生活。

舉例而言,利用奈米技術製造的健康食品,使營養能夠更有效地讓人體吸收;奈米衣料不僅保暖而且不易髒汙;陶瓷表面若加入特殊的奈米粒子,可製造出防汙漬及抗菌的衛浴設備,汽車的汽缸經過奈米技術改良後,能源轉換的效率更好;電子書的發明使知識更普及;高效率顯示器帶給我們全新的視界等,這些都是奈米科技所衍生的產品。

矽就在我們身邊

矽(silicon)是元素周期表中第4A族的類金屬元素。可別小看這原子序14的元素,它可是當今非常重要的半導體材料,對我們的生活有很大的影響,在電腦、智慧晶片、太陽能電池等日常生活所依賴的電子產品中,都可以看到它的蹤影。

電子產品是由許多元件組成的,而這些元件的材料最常用的就是矽。為什麼使用矽呢?因為矽擁有獨特的電、熱等物理性質,且對於能源的轉換有很好的效果,能製作出各種特殊功能的電子產品或醫療用途的元件。加上矽也是地球上存量最多的元素,泥土、塵埃中都有它的蹤跡,取得方便,因此成為人類文明發展不可或缺的材料。

風情多變的矽

科學家近年來合成了許多形貌的矽,就好像小孩子把玩的黏土般,它可以捏成各式各樣的形狀,如矽奈米粒子、多孔矽、矽奈米柱、矽奈米線等。這些矽各有不同的用途,有些應用於生物醫學,有些應用於光電產品、感測器等。你可曾想像過僅改變材料的形狀,竟然會產生這麼多不同的功用嗎?

西元1999年科學家首次合成出矽奈米線,什麼是奈米線呢?簡單而言,就像媽媽拿來縫衣服的棉線,奈米線就是奈米級的線狀結構,矽奈米線就是矽以奈米級的線狀結構呈現的一種形貌。

矽奈米線是一維的奈米結構,由於擁有高的長寬比與大的比表面積,因此有助於能量的傳輸與增加感測面積。近年來,已廣泛應用於場發射元件、太陽能電池、氣體感測器、熱電元件等,矽奈米線已成為目前元件材料研究的當紅炸子雞。

矽奈米線的合成

合成矽奈米線有幾種方式:雷射切割法、聚焦離子束蝕刻法、化學氣相沉積法、溶液蝕刻法等。溶液蝕刻法是目前最常使用的方法,它的製備程序十分簡單,不需昂貴的設備及原料,合成溫度低,奈米線的形貌均勻規則,且對於雜質與導電性的控制能力好,因此這種合成法被廣泛地探討。

溶液蝕刻法也稱作無電鍍化學蝕刻法,以這方法製備矽奈米線,與傳統電化學蝕刻法製備多孔性矽的過程相似,最大的不同處在於前者是利用銀離子持續的還原反應所造成氧化還原的電子移動,來替代後者必須施加的偏壓。

在初始階段,矽的蝕刻與銀的沉積是同時進行的。銀離子從一開始成核到團簇成樹枝狀,銀團簇會披覆在矽的表面上。這些銀粒子與周遭的矽會進行電化學氧化還原反應,溶劑中的氫氟酸會解離為氫離子與氟離子,其中氟離子會與矽形成六氟化矽溶在溶液中。隨著持續的氧化還原,在銀沉積處,矽不斷地被氧化,形成銀粒子向下蝕刻的現象。最後在大範圍面積的蝕刻過程中,形成規律的矽奈米線陣列。

溶液蝕刻法不僅有上述提及的優點,且合成出的矽奈米線非常筆直,經由溶液濃度及溫度的變化,便可以控制奈米線的線長與粗細。除此之外,溶液蝕刻法也可合成出均勻且大面積的矽奈米線,對於在半導體元件上的應用非常有利。

抗反射的矽奈米線陣列

筆直的矽奈米線陣列會有什麼特性呢?若以肉眼觀察矽晶片,會發現它是鏡面反光的,但矽奈米線陣列試片卻是黑色的,這是因為奈米線結構的尺度是小於或近似可見光波長,稱為次波長結構。進入這種結構的光並不會產生干涉及繞射,且結構空間中介質的疏密比例也會造成折射率的漸變,降低了入射光由於折射率差異而造成的反射,這樣的特性稱作抗反射能力。

在大自然中,蟬翼與蛾眼的組織結構具有抗反射特性,可以避免鳥類等掠食者發現。師法自然,科學家於是應用這種結構在太陽能電池上以降低光的反射率,增加太陽能電池的效率。若應用在電視螢幕上,也可避免反光而影響觀賞品質。

多孔隙矽奈米線

為了提升矽奈米線的性質,可利用電化學處理的方法,把矽奈米線基板置於蝕刻液中,並施以電流處理矽奈米線。藉由電化學處理時間的增長,矽奈米線表面會從初始的平滑,漸漸地變成粗糙、崎嶇不平,最後在奈米線表面上形成一個個奈米等級的孔隙,這就是所謂的多孔隙矽奈米線。

孔隙剛開始是發生於矽奈米線表面雜質或缺陷處,雜質多是由於非本質矽中所摻混的三價或五價元素,缺陷則是晶格結構上的不規則。隨著電化學時間的增長或蝕刻液濃度的增加,可使平滑的奈米線表面開始產生凹槽,漸漸地凹槽會逐漸受到電化學蝕刻的破壞而擴大,因而形成孔洞。

多孔隙矽奈米線由於具有孔隙,相對於矽奈米線擁有更高的比表面積,應用在氣體感測上會更靈敏準確。且表面上的奈米級孔洞會產生量子局限效應,使得矽的能隙增大並增進發光效率。在電子束或雷射的激發下,可發出高強度的可見光,因此把它當作場發射螢幕的材料是個不錯的選擇。

青出於藍更勝於藍

經由矽奈米線電化學處理而得到的多孔隙矽奈米線,由於具有奈米孔隙,使得光線在奈米線陣列中更容易散射,因此抗反射的效果更甚於無孔的矽奈米線。

蓮花出淤泥而不染,你可看過池塘裡的蓮葉上,水珠是一顆顆分開像珍珠灑落一樣嗎?這稱作「蓮花效應」。

溶液蝕刻法製備出的矽奈米線,表面有自然生成的矽氧化層,而這氧化層具親水性。但經由電化學處理後,表面的矽氧化層會消失,使得奈米線轉變成疏水性。且因奈米線表面孔隙的形成,使得陣列中含有空氣的體積增大,當有水滴滴在材料表面時不易滲入,因而在試片表面形成水珠,只要輕輕一吹,便可帶走汙染物,因此也稱作「自潔效應」。這種多孔隙矽奈米線結構可使水珠的接觸角高達150度以上,屬於超疏水的結構。

具潛力的多孔隙矽奈米線

合成出的多孔隙矽奈米線陣列由於擁有抗反射效果和自潔效應,應用於太陽能電池中,抗反射的能力能使光的吸收效率提高,讓太陽光更易被利用。而當塵埃、汙水沾附在元件表面時,由於自潔效應,汙染物不易滲入材料,且可以輕易地去除和保持乾燥,這會大大地提高元件的壽命。因此,使用多孔隙矽奈米線做為太陽能電池的材料,不僅可提高電池效率,也可增長產品壽命。

此外,多孔隙矽奈米線由於擁有甚大的比表面積,做為氣體感測元件時,奈米線表面的面積增加,能夠吸附更多氣體,使得偵測效果提高。而應用在生物醫學領域時,相較於平滑的矽奈米線表面,多孔隙矽奈米線的奈米孔洞形貌可攜帶更多標靶藥物進入生物體內治療,減少使用的載體數量。

多孔隙矽奈米線不僅非常適合做為光電元件的材料,也可應用在感測元件或生醫檢測上,再加上製程簡單、迅速、無汙染,這種材料的發展極具潛力。
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