《ChemistryOpen》：通过光子烧结合成硅和氧化锗纳米结构；一种简单的扩大制造规模的方法（IF=2.372）

发布日期：2024-11-29浏览次数：354

背景：

氧化硅和氧化锗（SiOx和GeOx）纳米结构具有潜在的高能量密度、大锂化容量（~10X碳）、低毒性、低成本和高热稳定性，是用于储能应用的有前途的材料。这项研究报告了一种通过光子固化实现SiOx和GeOx纳米结构控制合成的独特方法。与快速热退火等传统方法不同，脉冲光子烧结过程中的淬灭发生得很快（亚毫秒），从而可以将亚稳态捕获以形成独特的相和纳米结构。我们结合光物理、光化学定律和模拟的薄膜温度分布，探索了光子烧结的可能潜在机制。结果表明，喷涂的0.1M摩尔浓度Si和Ge乙酰乙酸酯前体溶液在总通量80J/cm²下进行光子烧结可以产生GeOx和SiOx纳米结构。由于光子烧结过程中薄膜中光引发的化学反应，合成的纳米结构被酯官能化。结果还表明，如果通过增加脉冲数来增加总通量，纳米颗粒尺寸将从~48nm变为~11nm。这些结果对大规模合成Ge和Si氧化物纳米结构材料做出了重要贡献，而这对于下一代储能设备必不可少

文献介绍：

与本体材料特性相比，纳米粒子具有可调的独特特性，因而在生物、能源应用和电子应用等众多领域具有极高的应用价值。纳米粒子的独特特性包括高表面体积比、化学、电、磁和光学特性。此外，这些特性可以通过控制纳米粒子的尺寸、形状和相来改变。表1总结了纳米粒子的尺寸相关特性和应用。半导体纳米粒子因其独特的光学和电子特性以及其他不同的应用而特别令人感兴趣。Si和Ge纳米粒子可用作锂离子电池的阳极材料、金属氧化物半导体(MOS)存储器件中的电流泄漏预防剂以及改善材料的光稳定性。

C、Si和Ge等第14列(IVA)纳米粒子因其高天然丰度、独特的光学特性、表面化学和低毒性而成为有前途的半导体纳米粒子。Si纳米粒子因其卓越的物理和化学特性为其在电子、传感器、生物医学和储能领域的应用开辟了一个新时代。Si具有间接带隙，并且在较小的玻尔半径（~4纳米）下表现出有希望的量子限制。硅是锂离子电池的一个有希望的候选材料，因为它的理论容量高达约3580mAhg^-¹。最近，Koki等人报道了用于锂离子电池的低温纳米结构硅薄膜，其在0.1C速率下容量增强至3200mAhg^-¹，可用作可充电电池的柔性阳极。锗基纳米粒子还具有有趣的特性，例如高折射率、窄带隙、高离子插层能力、低毒性和高电荷载流子迁移率。锗纳米粒子因其在储能、生物成像和光电子等领域的广泛应用而受到研究领域的关注。与大多数其他半导体纳米粒子不同，由于锗纳米粒子的带隙小和玻尔半径大，它们在相对较大的粒径下表现出量子限制效应。Ge纳米粒子是一种成本低廉、相对来说更环保的半导体纳米粒子。这些特性以及Ge纳米粒子良好的电子特性使其成为储能和转换设备的有希望的候选材料，例如加工用于太阳能电池的CuInSe₂、场效应晶体管、加工纳米结构TiO₂薄膜、焊接聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亚胺箔、非晶硅的再结晶、石墨烯墨水的导电性增强、光电探测器以及生物成像和闪存设备。表2总结了Si和Gen纳米粒子的性质和应用

半导体纳米粒子的合成方法主要分为两类：溶液相化学方法和基于蒸汽的技术。可用于合成半导体纳米粒子的技术包括溶胶-凝胶处理、化学气相沉积、喷雾热解、微乳液、冷凝、热蒸发、溅射和研磨。

纳米粒子研究领域的研究工作主要集中在开发能够精确控制纳米粒子的尺寸、成分、表面化学和形态的合成技术。微波退火、光化学活化和基于闪光灯的脉冲光工艺是处理氧化物半导体最流行的方法。基于闪光灯的工艺也称为光子固化。光子固化是一种多功能的加工方法，可在高温下瞬间处理薄膜。在光子固化中，加热间隔非常短（约1-2毫秒），导致非平衡加热，并从薄膜顶部到基板底部形成热梯度。

光子固化是一种低体积热暴露烧结方法，该技术之所以新颖，是因为它能够在低温基板上将材料热处理至接近1,200°C的温度，而这些材料在高于400°C的温度下会分解。这种新技术允许将高强度光照射到大面积区域，在几分之一秒内固化材料，因此适合卷对卷工业规模方法。由于速度快，光子固化可用于在不到2毫秒的时间内处理大面积区域（每10厘米长的氙气闪光灯约200平方厘米），用于纳米材料合成。光子固化作为一种处理材料的独立方法以及辅助各种制造技术，正在迅速引起人们的关注。例如，纳米粒子的烧结和功能化、低温基底上高温薄膜的加工、有机电池应用的网格加工、有机场效应晶体管电介质的合成、金属氧化物薄膜晶体管的制造、氧化物电子器件和柔性电子器件的加工，都已利用光子固化技术实现。光子固化已用于纳米粒子的烧结，通过加热纳米粒子至其扩散形成薄膜的程度。本文我们报道了光子固化一步合成硅和锗氧化物纳米粒子的方法，这也为扩大规模提供了一种简便的方法。图1显示了通过光子固化加工薄膜的示意图。示意图显示，前体溶液喷洒在基底上，然后进行光子固化，然后进行表征。通过将脉冲数从10变为20，改变了总能量密度（从80J/cm²到160J/cm²）。整个过程不到30分钟（包括薄膜制备）。在光子固化过程中，前体经历光化学和热过程，然后快速淬火，从而改变薄膜中材料的结构和形态。本研究合成的硅和锗基纳米结构在表面被氧化，因此命名为硅和锗氧化物（SiOx和GeOx）纳米结构。