硅纳米线

第58卷第3期 2021年3月微鈉电子技术Micronanoelectronic TechnologyVol. 58 No.3March 2021| MEMS与#感器^DOI：10. 13250/ki.wndz.2021. 03. 007硅纳米线传感器灵敏度研究进展方敏S闫江S魏千惠2’3，张青竹4’5,魏淑华、王艳蓉\张兆浩4，熊恩毅S张双1，张静1(1.北方工业大学信息学院，北京100144; 2.有研科技集团有限公司智能传感功能材料国家重点实验室，北京100088; 3.有研工程技术研究院有限公司，北京101402;4.中国科学院微电子研究所先导工艺研发中心，北京100029;5•中国科学院大学，北京100049)摘要：对基于一维纳米材料的硅纳米线场效应晶体管（SiNW-F E T)传感器在疾病早期诊断中检 测超低浓度生物标志物的优势进行了简单阐述，提出提高S iN W-F E T传感器检测灵敏度的重要性和必要性。

介绍了SiN W-F E T传感器的工作原理、检测灵敏度和检测限（LOD)。

重点讨论了 通过对SiN W表面修饰方法的优化、使用不同结构形状S iN W和降低传感器德拜屏蔽效应等方法 提高SiN W-F E T传感器的灵敏度，对各种提高灵敏度的方法和对应方法下S iN W-F E T传感器的 检测限或灵敏度进行了对比总结。

最后，总结了提高S iN W-F E T传感器灵敏度的方法和目前亟待解决的问题，并展望了其发展趋势。

关键词：硅纳米线场效应晶体管（SiNW-F E T); —维纳米材料；传感器；灵敏度；检测限(LOD);表面修饰中图分类号：T P212. 3; TB383 文献标识码：A文章编号：1671-4776 (2021) 03_0225-08 Research Progress in Sensitivity of Silicon Nanowire Sensors Fang Min' ,Yan Jiang1 ,Wei Qianhui2,3,Zhang Qingzhu4'5,Wei Shuhua' ,Wang Yanrong1 ,Zhang Zhaohao4,Xiong Enyi',Zhang Shuang1 ,Zhang Jing'(1. School o f In fo rm a tio n Science a n d T e c h n o lo g y，N o rth C hina U n iv ersity o f T e c h n o lo g y，B e ijin g100144,C hina \ 2. S ta te K ey L a boratory o f A d v a n c e d M a teria ls fo r S m a r t S e n s in g,G R I N M G roup Co. L td.»B e ijin g100088, C h in a；3. G R I M A T E n g in e erin g In stitu te Co. L td.♦B e ijin g101402, China-, 4. A d va n c ed In teg ra tedC ircuits R&-D C e n te r, In stitu te o f M icroelectronics yC hinese A c a d e m y o f Sciences% B e ijin g100029 ♦C h in a；5. U n iv ersity o f ChineseA c a d e m y o f Sciences ^B e ijin g100049,C h in a)Abstract：The advantages of silicon nanowire field-effect transistor (SiNW-F E T)sensors based on one-dimensional nanomaterials for the detection of ultra-low concentration biomarkers in the early diagnosis of diseases are briefly described.The importance and necessity of improving the收稿日期：2020-08-25基金项目：国家科技重大专项资助项目（2017Z X02301007-001);中国科学院青年促进会基金资助项目（Y9YQ01R004);中国科学院微 电子器件与集成技术重点实验室开放基金资助项目（E0YS01X001)通信作者：同江，E-mail:*****************.c n;魏千惠，E-mail:********************225撤纳电子技术detection sensitivity of SiNW-FET sensors are proposed.The working principle,detection sensi­tivity and limit of detection (LOD)of SiNW-FET sensors are introduced.The focus is on impro­ving the sensitivity of SiNW-FET sensors by optimizing the surface modification methods of SiN-W s,using SiNWs with different structures and shapes and reducing the Debye shielding effect of sensors.Various methods of improving the sensitivity and the LOD or detection sensitivity of SiNW-FET sensors with corresponding methods are compared and summarized.Finally,the methods of improving the sensitivity of SiNW-FET sensors and the most urgently resolved cur­rent problems are summarized,and the development trends are prospected.Key words：silicon nanowire field-effect transistor (SiNW-F E T)；one-dimensional nanomaterial；sensor；sensitivity；limit of detection (LOD)；surface modificationEEA C C：7230Mo引百随着肿瘤发病率的不断升髙，人类生命安全受 到了极大的威胁，且晚期肿瘤的治愈率非常低，因此对肿瘤的早期筛选在肿瘤治愈中占据了重要地位，对超低浓度肿瘤生物标志物的检测也显得尤为 重要。

硅纳米线的现代制备方法作者：王策来源：《硅谷》2014年第15期摘要硅纳米线是一种新型的一维纳米材料，其独特的物理特性，使其在光电器件，纳米器件以及微电子电路上有很好的应用。

简要概括了目前大规模制备硅纳米线的主流技术：激光烧蚀法、化学气相沉积法、热蒸发法以及金属辅助化学腐蚀法。

关键词硅纳米线；制备；生长机理中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0110-02硅基半导体材料是目前整个半导体器件和集成电路的基础，随着集成电路的高密度化，体硅逐渐难以满足微电子制造技术的发展需求。

硅纳米线作为一维硅纳米材料，在具有半导体性质的同时，由于其直径与其德布罗意波长相当，还具有不同于体硅材料的量子限制效应[1]、库仑阻塞效应以及光致发光等物理特性。

更重要的是硅纳米线和目前的硅基材料有极好的兼容性，因而在未来的纳米半导体材料以及纳米电子器件中具有良好的应用前景[2]。

对于硅纳米线制备方法的研究发展迅速，最初1998年利用照相平板蚀刻技术及扫描隧道显微方法[3～5]得到硅纳米线产量较小，不能满足实际研究需求，同年即采用激光烧蚀法[6～9]制备出大量硅纳米线。

目前已有多种方法可制备出大量硅纳米线，目前的主流方法有激光烧蚀法，化学气相沉积法，热气相沉积法以及近年来的金属辅助化学腐蚀法等。

而生长机理则包括气-液-固（VLS）生长机理，氧化物辅助生长机理及超临界溶液-液-固合成等多种机理。

1 激光烧蚀法激光烧蚀法是一种将固体靶材放入真空或填充某种特定气体的腔体内，靶材在激光烧蚀下快速蒸发及超高速冷却、凝聚，从而形成纳米材料的技术。

在以VLS为原理的制备中，金属纳米的颗粒大小决定了纳米线的直径，并通过不断吸附反应物使之在催化剂-纳米线界面上过饱和溢出，使得纳米线不断生长。

采用含少量Fe，Au，Ni的硅粉作为靶材，放入填充Ar气的石英管中，在一定温度下激光烧蚀可获得硅纳米线。

含有Fe的硅粉在激光烧蚀作用下生成Fe和Si的高温浓缩蒸汽，Fe和Si碰撞形成纳米团簇，并在Ar气作用下冷却为液态。

文件名：L杨娟玉.doc论文题目：纳米二氧化硅直接熔盐电解制备硅纳米线的的研究作者简介：杨娟玉，女，1975年3月出生，2004年从师于卢世刚教授，于2009年6月毕业于北京有色金属研究总院有色金属冶金专业，并获工学博士学位。

论文摘要：硅是重要的半导体材料，在集成电路和太阳能电池中已广泛使用。

硅纳米材料除具有半导体材料的特性外，由于纳米材料的量子限域效应、库仑阻塞效应、表面效应等，还表现出特殊的光学、电学等物理特性及特殊化学特性，硅纳米材料已经成为纳米材料与技术的重要研究方向。

制备硅纳米线比较常见方法包括金属气-液-固（VLS）催化生长法和氧化物辅助生长法，例如激光烧蚀法、化学气相沉积法、热气相沉积法、水热法等，这些方法涉及的工艺过程、装备比较复杂，产物中硅纳米线一般含有金属或其他杂质元素，在一定程度上制约了高纯硅纳米线本征性能的研究，也不利于实现硅纳米线的规模化生产。

因此，发展新型低成本高纯硅纳米线的制备技术对于推动硅纳米线的研究、规模化生产以及在相关高科技领域中的应用均具有十分重要的意义。

熔盐电解法具有设备、工艺、操作简单和产物纯度高的特点，以高纯二氧化硅为原料在熔盐中直接制备单质硅的技术，被认为在太阳能级的高纯硅生产中极具应用前景。

采用熔盐电解制备硅纳米线的研究还没有相关的文献报道。

本文采用纳米二氧化硅为原料烧结制备多孔电极，在CaCl2熔盐中直接电解制备硅纳米线。

研究了纳米二氧化硅电极制备工艺，分析了制备硅纳米线的工艺条件；采用XRD、FESEM、HRTEM、SEAD、Raman光谱等分析了硅纳米线的结构特点，并对光致发光和电化学性能进行了研究；在分析纳米二氧化硅与熔盐相互作用和电解过程中间产物的基础上，提出了硅纳米线的电化学生长机理；论文还研究了直接熔盐电解制备硅纳米管、硅纳米颗粒等其他结构的硅纳米材料。

以纳米二氧化硅为原料，在900℃下烧结后与钼丝制备成钼-二氧化硅接触电极，在900℃的CaCl2熔盐中以石墨为对电极、铂丝为准参比电极进行循环伏安扫描，结果表明，纳米二氧化硅与体相二氧化硅表现出相似的电化学特征；对恒电位电解产物进行XRD、FESEM和TEM分析，纳米二氧化硅在-1.00~-1.50V(vs Pt，以下同)电位范围内生成具有单晶结构的硅纳米线，当电位为-1.60V时产物为硅颗粒，在电位小于-1.60V时形成硅钙合金；分析了电解温度对形成硅纳米线的影响，在900℃下硅纳米线具有较好的特性形貌；在-1.20V下900℃的CaCl2熔盐中直接电解纳米二氧化硅制备硅纳米线，电解过程的电流效率可达80%以上。

纳米电子学中的新型器件及应用随着科技不断的发展，纳米电子学已经成为当前电子领域中最重要的领域之一。

在纳米电子学中，新型器件的研究与应用也成为研究重点之一。

本文将介绍纳米电子学中的一些新型器件及其应用。

一、碳纳米管碳纳米管是一种非常重要的纳米材料，拥有优异的电学、光学及力学性能。

碳纳米管具有非常好的导电性和导热性能，在纳米电子学中有广泛的应用前景。

1、碳纳米管场效应晶体管碳纳米管场效应晶体管（Carbon nanotube field-effect transistor，CNTFET）是一种基于碳纳米管的新型器件。

CNTFET拥有非常高的电流转移比和非常快的开关速度，可以作为高度集成的电路中的关键器件。

CNTFET还可以用于生物传感器和柔性电子学等领域。

2、碳纳米管存储器碳纳米管存储器（carbon nanotube memory，CNM）是一种基于碳纳米管的新型存储器。

CNM可以实现快速读写，而且不易受到辐射和温度的影响，因此可以用于高速计算机和深空探测器等领域。

二、石墨烯石墨烯是一种单层厚度的碳纳米材料，具有非常好的电学、光学和力学性能。

石墨烯可以用于制备各种新型器件。

1、石墨烯场效应晶体管石墨烯场效应晶体管（graphene field-effect transistor，GFET）是一种基于石墨烯的新型器件。

GFET具有非常高的电流转移比和非常快的开关速度，可以用于高速计算机和柔性电子学等领域。

2、石墨烯光伏电池石墨烯光伏电池（graphene solar cells，GSC）是一种基于石墨烯的新型光伏器件。

GSC可以大大提高光电转换效率，可以用于太阳能电池板和太阳能充电器等领域。

三、纳米线纳米线是一种直径在1-100纳米范围内的细长纳米材料，具有非常好的电学、光学和力学性能。

纳米线可以用于制备各种新型器件。

1、氧化锌纳米线光电器件氧化锌纳米线光电器件（zinc oxide nanowire optoelectronic device，ZNWOD）是一种基于氧化锌纳米线制备的新型器件。