シリコンナノワイヤ

シリコンナノワイヤ（SiNWとも呼ばれる）は、半導体ナノワイヤの一種で、シリコン前駆体から固体のエッチング、または気相または液相からの触媒成長によって形成されることが多い。このようなナノワイヤは、リチウムイオン電池、熱電素子、センサーなどの用途が期待されている。SiNWの初期合成では、サイズと形態を正確に調整した構造を得るために、熱酸化工程が伴うことが多い。^[1]

SiNW は、バルク (3 次元) シリコン材料には見られないユニークな特性を持っています。これらの特性は、珍しい準 1 次元電子構造から生じ、多くの分野や用途で研究されています。SiNW が最も重要な 1 次元材料の 1 つと見なされている理由は、複雑で高価な製造施設を必要とせずに組み立てられるナノスケールの電子機器の構成要素として機能する可能性があるためです。^{[2] SiNW は、}太陽光発電、ナノワイヤ バッテリー、熱電、不揮発性メモリなどの用途に向けて頻繁に研究されています。 ^[3]

シリコンナノワイヤは、そのユニークな物理的・化学的特性により、バルクシリコン材料とは異なる独自の物理化学的特性を活かした幅広い用途への有望な候補である。^[1]

SiNWは電荷を閉じ込める性質があり、光起電装置や光触媒などの電子と正孔の分離を必要とする用途で価値の高いシステムとなっています。^[4]ナノワイヤ太陽電池に関する最近の実験により、ここ数年でSiNW太陽電池の電力変換効率が1%未満から17%以上に大幅に向上しました。^[5]

リチウムイオンがシリコン構造に挿入される能力により、さまざまなSiナノ構造がLiイオン電池（LiB）のアノードとしての用途に興味深いものとなっています。SiNWは構造的完全性と電気的接続性を維持しながら大幅なリチウム化を受ける能力を示すため、そのようなアノードとして特に優れています。^[6]

シリコンナノワイヤは、ドープされたSiのバルク特性による高い電気伝導性と、断面積が小さいことによる低い熱伝導性を兼ね備えているため、効率的な熱電発電機です。 ^[7]

SiNWの電荷捕捉挙動と調整可能な表面制御輸送特性により、このカテゴリのナノ構造は金属絶縁体半導体や電界効果トランジスタ^[8]としての利用が注目されています。ここで、シリコンナノワイヤはFETの主チャネルであり、ソースとドレイン端子を接続し、2つの端子間の電子移動を促進します。さらに、ナノ電子ストレージデバイス^{[9] 、}フラッシュメモリ、ロジックデバイス、化学センサー、ガスセンサー、生物学的センサーとしても応用されています。^{[3] [10] [11]}

SiNWFETは2001年に初めて報告されて以来、^[12]高いキャリア移動度、^[13]高い電流スイッチ比、理想に近いサブスレッショルド傾斜などの優れた物理的特性のため、センサー分野で広く関心を集めてきました。 さらに、CMOS製造技術と組み合わせることでコスト効率が良く、大規模に製造することができます。 具体的には、バイオリサーチにおいて、SiNWFETは生物学的ターゲットに対する高い感度と特異性を持ち、ターゲットオブジェクトに合わせて小さな生物学的分子で修飾した後、ラベルフリー検出を提供できます。 さらに、SiNWFETはアレイ状に製造でき、選択的に機能化できるため、複数のターゲットを同時に検出および分析できます。^[14]マルチプレックス検出により、バイオ検出のスループットと効率が大幅に向上します。

SiNWの合成法はいくつか知られており、大きく分けて、バルクシリコンから始めて材料を除去してナノワイヤを生成する方法（トップダウン合成とも呼ばれる）と、化学物質または気相前駆体を使用してナノワイヤを構築する方法（一般的にボトムアップ合成とみなされるプロセス）に分けられます。^[3]

これらの方法は、バルク前駆体からナノ構造を生成するために材料除去技術を使用する。

• レーザーアブレーション^[3]
• イオンビームエッチング^[15]
• 熱蒸発酸化物成長（OAG）^[16]
• 金属アシスト化学エッチング（MaCE）^[17]

• 気相・液相・固相（VLS）成長法 - 触媒CVD法の一種で、 Si前駆体としてシラン、触媒（または「種」）として金ナノ粒子を使用することが多い。 ^[3]
• 分子線エピタキシー-プラズマ環境で適用されるPVDの一種^[16]
• 溶液からの沈​​殿法 – VLS法の一種で、超臨界流体液体固体（SFLS）とも呼ばれ、蒸気の代わりに超臨界流体（高温高圧の有機シランなど）をSi前駆体として使用する。触媒はコロイド金ナノ粒子などの溶液中のコロイドであり、この溶液中でSiNWが成長する^{[16] [18]}

初期のシリコンナノ構造を得るためのトップダウンまたはボトムアップの物理的または化学的処理に続いて、所望のサイズとアスペクト比を持つ材料を得るために熱酸化工程がしばしば適用される。シリコンナノワイヤは、モデル化可能な拡散制限により酸化が事実上停止する、明確で有用な自己制限酸化挙動を示す。 ^[1]この現象により、SiNWの寸法とアスペクト比を正確に制御することができ、直径5nm未満の高アスペクト比SiNWを得るために使用されている。^[19] SiNWの自己制限酸化は、リチウムイオン電池材料にとって価値がある。

SiNW は、そのユニークな特性と、サイズとアスペクト比を非常に正確に制御できることから、大きな関心を集めています。しかし、大規模製造の限界により、この材料は調査対象のあらゆる用途に採用されていません。合成法、酸化速度論、および SiNW システムの特性を組み合わせた研究は、現在の限界を克服し、SiNW システムの実装を促進することを目的としています。たとえば、滑らかな表面を持つ高品質の気相・液相・固相法で成長した SiNW は、10% 以上の弾性ひずみで可逆的に引き伸ばすことができ、シリコンの理論的な弾性限界に近づきます。これにより、新興の「弾性ひずみエンジニアリング」や柔軟なバイオ/ナノエレクトロニクスへの扉が開かれる可能性があります。^[20]