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在纳米线的生长区域中：铝滴的表面吸收以硅烷形式存在于其周围的硅。硅迁移到液滴的底部，并在其中分层沉积。因此，以这种方式形成的硅线中嵌入的铝比理论上预期的要多得多。在高分辨率透射电子显微镜的图像中可以清楚地看到铝和硅之间的界面。微结构物理学的性质/ MPI
马克斯·普朗克研究所的最新研究表明，硅纳米线在生长过程中被掺杂了意想不到的大量铝，从而增加了其导电性并违反了热力学定律。
纳米电子学又向前迈出了一步。一个国际团队，包括来自哈雷马克斯·普朗克微结构物理研究所的研究人员，发现了一种可用于生产具有特别诱人的电学和形态学特性的硅纳米线的效应。这些纳米线以铝作为催化剂以优雅的方式生长。现在，科学家们发现，与已知理论相比，硅在工艺中所含的铝要多得多。这对导线的特性产生了有益的影响，因为高比例的铝（在半导体技术中被称为掺杂剂）可提高其导电性。该效果还可以用于生产其他高度掺杂的纳米材料。
如果使用完全纯硅，芯片将无法真正以熟悉的方式工作。仅当额外的电子或杂质原子的正电荷增加半导体中电荷载流子的数量时，其导电性才足以使电流在晶体管中流动。这就是为什么半导体工业会掺杂硅和其他半导体，并将经过仔细测量的杂质原子混入材料中的原因。如果该行业将来将其组件微型化至纳米范围，它可能会利用马克斯·普朗克微结构物理研究所，加拿大蒙特利尔的ÉcolePolytechnique和美国伊利诺伊州的西北大学的研究人员的作用。现在已经发现。在常规用于制造纳米线的方法中，通过自发引入铝催化剂原子来掺杂材料。
马克斯·普朗克微结构物理研究所的参与研究人员之一，埃克哈德·皮佩尔（Eckhard Pippel）表示：“这里的硅所占的铝量是热力学定律所允许的铝量的10,000倍。”除其他事项外，热力学还会调节一种物质在另一种物质中的溶解程度，这适用于液体和不同金属的合金。它指出，硅晶体中的铝应少于百万分之一。但是，科学家确定硅线中的铝含量实际上约为4％。并且铝原子在材料中显示出完全均匀的分布。研究人员借助紫外激光辅助原子探针断层扫描技术发现了这一发现，该技术揭示了纳米样品中每个单个原子的类型和位置。
纳米线不能达到平衡化学状态
Oussama Moutanabbir说：“看到结果的那一天，我大吃一惊。”他在马克斯·普朗克微结构物理研究所期间进行了一些调查，现在是蒙特利尔ÉcolePolytechnique的教授。“一方面，由于高浓度，而且铝原子不会在硅中形成簇，因此数据使我们感到惊讶。”如果铝含量呈团簇形式，即铝的微小堆积，则铝含量将无用，因为只有当铝原子均匀分布时，硅中的电荷载流子数量才会增加。这种增加对于电子应用很重要。
原子探针层析成像揭示了材料的原子结构：红色表示铝原子的代表性位置，蓝色表示硅原子的代表性位置。数据分析表明，铝在硅中的浓度很高，并且分布均匀。由于实验原因，纳米线被镀了一层镍（绿色）用于分析。自然/伊利诺伊州西北大学
为了控制铝的出乎意料的牢固嵌入，从而能够将其用于可能的技术应用，研究人员寻求一种解释。马克斯·普朗克微结构物理研究所的参与研究人员之一，斯蒂芬·森兹说：“浓度与热力学预测的偏差如此之大，这要归因于动力学效应。”热力学总是描述自然界中理想的平衡状态，在这种状态下，化合物努力获得尽可能低的能量含量，并且希望永久保留。对于晶体而言，这意味着：它们最好应包含尽可能少的缺陷和杂质原子。但是，当没有达到理想状态时，总是将责任归咎于动力学。然后，导致形成材料的过程之一进行得太快或太慢，以至于无法达到理想的平衡状态。这正是硅纳米线形成过程中发生的情况。
研究人员首先通过将铝的纳米颗粒分布在硅表面上，从而从硅中生长出纳米线。铝的熔化温度低于硅。这就是问题的症结所在。现在，研究人员将散布有铝岛的硅基板放入一个腔室中，然后让硅烷（一种非常易挥发的硅化合物）流入该腔室中，然后再将腔室加热到只有铝而不是硅熔化的温度。在这些条件下，硅烷转化为硅并溶解在铝滴中。
寻求外来化合物的可能途径
一旦硅被饱和，液滴不会停止嵌入硅。恰恰相反：它继续在其表面上掺入硅，但再次将其沉积到下面的硅表面上。原子逐行排列以形成硅层，类似于逐行打印黑色表面的喷墨打印机。下拉菜单下的一层完成后，就会形成下一层。因此，纳米线在每个铝滴下逐渐生长。
为了理解为什么最终导致硅线中的铝多于实际允许的数量，研究人员开发了一个模型，该过程以原子级进行的速度有多快。Oussama Moutanabbir解释说：“关键的方面是原子可利用的时间在生长的金属丝和铝滴之间的界面上来回跳跃。”如果时间长，原子会自行排列直到达到化学平衡。但是，时间显然还不够长。相反，一排硅原子完成后，可用于原子交换的时间就停止了。穆塔纳巴比尔说：“以前被嵌入的铝原子仍然被永久捕获。”“直到现在，人们一直认为原子可以在金属滴和硅之间交换，直到整个硅层完成为止。”
由于研究人员现在已经阐明了这一过程，因此应该有可能将其应用于纳米线的目标掺杂。穆塔纳比尔说：“我们怀疑这种影响还会发生在半导体和金属的其他组合中。”“我还认为，纳米线的生长远离化学平衡是令人兴奋的。”因此，研究人员希望可以使用类似的工艺来生产具有奇异化学组成的纳米材料，而这些材料在热力学平衡状态下是不可能生产的。
出版物：Oussama Moutanabbir等人，“向硅纳米线中大量注入催化剂原子”，《自然》 496，第78-82页（2013年4月4日）； doi：10.1038 / nature11999
图片：微结构物理的性质/ MPI；自然/西北大学伊利诺伊州
