シリコンナノチューブ

Siで覆われたZnOナノワイヤ（下）を部分的にエッチングして作成したSiナノチューブ（上）。^[1]

シリコンナノチューブは、シリコン原子からチューブ状の構造を形成するナノ粒子です。シリコンナノワイヤと同様に、シリコンバルクとは根本的に異なる異常な物理的特性を持つため、技術的に重要です。^[2]シリコンナノチューブに関する最初の報告は2000年頃に発表されました。^[3]

合成

シリコンナノチューブを調製する方法の1つは、触媒を使用せずに電気アークを使用する反応器を使用することです。^{[4]純度を確保するために、反応器は真空にされ、非反応性の}希ガスアルゴンで満たされます。ナノチューブの実際の形成は、化学蒸着プロセスに依存しています。^[5]

より一般的な実験室規模の方法では、ゲルマニウム、炭素、または酸化亜鉛のナノワイヤをテンプレートとして使用します。次に、通常シランまたは四塩化ケイ素ガスから得られるシリコンをナノワイヤ上に堆積し、コアを溶解してシリコンチューブを残します。^[6]テンプレートナノワイヤの成長、シリコン堆積、ナノワイヤエッチング、および結果として得られるSiナノチューブの形状は、2番目の方法で正確に制御できますが、最小の内径は数十ナノメートルに制限されます。^[1]

従来の気相-液相-固相（VLS）および固相-液相-固相（SLS）メカニズムは、1次元シリコンナノ構造を成長させるための好ましい技術である。しかし、通常、これらのメカニズムでは触媒として1種類の金属しか使用されない。そのため、管状（中空）シリコンナノ構造の成長には使用できません。最近の試みでは、ニッケル-金二重触媒層を使用して、構成金属触媒の成長速度の不均一性を利用しています。これらの改良されたVLSおよびSLS技術を使用して、側壁の厚さが数ナノメートルの多層シリコンナノチューブが成長しました。^[7]

アプリケーション

シリコンナノチューブとナノワイヤは、その弾道伝導性のため、熱電発電機などの電子機器への使用が検討されている。^[8]構造は水素分子を収容できるため、 CO2のない石炭に似ている可能性があり、シリコンナノマテリアルは金属燃料のように動作する可能性があると思われる。 ^[9]^[10]_水素を充填したシリコンナノチューブはエネルギーを供給し、その過程で残留水、エタノール、シリコン、砂が残る。しかし、水素の製造にはかなりのエネルギーが必要なので、これはエネルギーを生成する方法ではなく、エネルギーを貯蔵する方法の提案にすぎない。

シリコンナノチューブとシリコンナノワイヤはリチウムイオン電池に使用できます。従来のリチウムイオン電池はアノードとしてグラファイトカーボンを使用していますが、これをシリコンナノチューブに置き換えると、実験的に比（質量基準）アノード容量が10倍に増加します（ただし、比カソード容量がはるかに低いため、全体的な容量の向上は低くなります）。^[11]

シリコンナノチューブのもう一つの新たな用途は発光です。シリコンは間接バンドギャップ半導体であるため、この材料の放射再結合の量子収率は非常に低いです。シリコンベースのナノ構造の厚さが有効ボーア半径（シリコンでは約9nm）以下に減少すると、量子閉じ込め効果により、この材料からの発光の量子効率が増加します。この事実を利用して、非常に薄い側壁を持つシリコンナノチューブの光放出能力が実証されています。^[7]

参考文献

^ ab Huang, Xuezhen; Gonzalez-Rodriguez, Roberto; Rich, Ryan; Gryczynski, Zygmunt; Coffer, Jeffery L. (2013). 「多孔質シリコンナノチューブアレイの製造とサイズ依存特性」. Chemical Communications . 49 (51): 5760–5762. doi : 10.1039/C3CC41913D . PMID 23695426.
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^ デ・クレッシェンツィ、M.;カストルッチ、P.スカルセリ、M.ディオシアウティ、M.チャウダリ、PS;バラスブラマニアン、C.バーブ、TM;ボラスカール、SV (2005)。「シリコンナノチューブの実験イメージング」。応用物理学の手紙。86 (23): 231901.土井:10.1063/1.1943497。
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^ Morata, Alex; Pacios, Mercè; Gadea, Gerard; Flox, Cristina; Cadavid, Doris; Cabot, Andreu; Tarancón, Albert (2018). 「高エネルギー変換効率を備えた大面積で適応性のある電界紡糸シリコンベースの熱電ナノ材料」。Nature Communications。9 ( 1 ) : 4759。doi :10.1038/ s41467-018-07208-8。ISSN 2041-1723。PMC 6232086。PMID 30420652。
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^ Bardsley, Earl (2009 年 4 月)。「砂の選択肢: シリコンからのエネルギー」(PDF)。オーストラリア R&D レビュー。
^ McDermott, Mat. (2009-09-23) リチウムイオン電池のブレークスルー: シリコンナノチューブで容量が 10 倍に向上。TreeHugger。2015 年 11 月 13 日に取得。

外部リンク

リヨン科学移転 – リヨン大学、フランス
シリコンナノ粒子の薄膜が柔軟なナノチューブに転がる、イリノイ大学

[zno-1] Huang, Xuezhen; Gonzalez-Rodriguez, Roberto; Rich, Ryan; Gryczynski, Zygmunt; Coffer, Jeffery L. (2013). 「多孔質シリコンナノチューブアレイの製造とサイズ依存特性」. Chemical Communications . 49 (51): 5760–5762. doi : 10.1039/C3CC41913D . PMID 23695426.

[Cheng-2] Mu, C.; Zhao, Q.; Xu, D.; Zhuang, Q.; Shao, Y. (2007). 「シトクロムcの直接電気化学のためのシリコンナノチューブアレイ/金電極」. Journal of Physical Chemistry B. 111 ( 6): 1491–1495. doi :10.1021/jp0657944. PMID 17253735.

[3] キリシ、イムレ;フダラ、アグネス。コンヤ、ゾルタン。ヘルナディ、クララ;レンツ、パトリック。ナジ、ヤノス B (2000)。「管状シリカ構造の調製におけるオゾン処理の利点」。応用触媒 A: 一般。203 : L1～L4。土居：10.1016/S0926-860X(00)00563-9。

[4] デ・クレッシェンツィ、M.;カストルッチ、P.スカルセリ、M.ディオシアウティ、M.チャウダリ、PS;バラスブラマニアン、C.バーブ、TM;ボラスカール、SV (2005)。「シリコンナノチューブの実験イメージング」。応用物理学の手紙。86 (23): 231901.土井:10.1063/1.1943497。

[5] シャ、J.ニウ、Ｊ．マ、X。徐、J。チャン、X。ヤン、Q。ヤン、D. (2002)。「シリコンナノチューブ」。先端材料。14 (17): 1219.doi : 10.1002/1521-4095(20020903)14:17<1219::AID-ADMA1219>3.0.CO;2-T。

[6] Moshit, Ishai; Patolsky, Fernando (2009). 「形状と寸法を制御した単結晶シリコンおよび SiGe ナノチューブ: ナノ流体 FET デバイスに向けて」. Journal of the American Chemical Society . 131 (10): 3679–3689. doi :10.1021/ja808483t. PMID 19226180.

[ReferenceA-7] Taghinejad, Mohammad; Taghinejad, Hossein (2012). 「高秩序シリコンナノチューブ（SiNT）の自己組織化成長のためのニッケル−金二重層触媒エンジニアリング技術」。Nano Letters。13（3）：889–897。doi ：10.1021/ nl303558f。PMID 23394626 。

[8] Morata, Alex; Pacios, Mercè; Gadea, Gerard; Flox, Cristina; Cadavid, Doris; Cabot, Andreu; Tarancón, Albert (2018). 「高エネルギー変換効率を備えた大面積で適応性のある電界紡糸シリコンベースの熱電ナノ材料」。Nature Communications。9 ( 1 ) : 4759。doi :10.1038/ s41467-018-07208-8。ISSN 2041-1723。PMC 6232086。PMID 30420652。

[9] ゼン、シャオチェン;田中秀樹（2004年5月10日）。「科学者たちは金属のように見えるシリコンナノチューブをモデル化 (AzO ナノテクノロジー)」。アゾナノ。

[10] Bardsley, Earl (2009 年 4 月)。「砂の選択肢: シリコンからのエネルギー」(PDF)。オーストラリア R&D レビュー。

[11] McDermott, Mat. (2009-09-23) リチウムイオン電池のブレークスルー: シリコンナノチューブで容量が 10 倍に向上。TreeHugger。2015 年 11 月 13 日に取得。