《ChemistryOpen》：通過光子燒結(jié)合成硅和氧化鍺納米結(jié)構(gòu)；一種簡單的擴(kuò)大制造規(guī)模的方法（IF=2.372）

背景：

氧化硅和氧化鍺（SiOx和GeOx）納米結(jié)構(gòu)具有潛在的高能量密度、大鋰化容量（~10X碳）、低毒性、低成本和高熱穩(wěn)定性，是用于儲能應(yīng)用的有前途的材料。這項研究報告了一種通過光子固化實現(xiàn)SiOx和GeOx納米結(jié)構(gòu)控制合成的獨特方法。與快速熱退火等傳統(tǒng)方法不同，脈沖光子燒結(jié)過程中的淬滅發(fā)生得很快（亞毫秒），從而可以將亞穩(wěn)態(tài)捕獲以形成獨特的相和納米結(jié)構(gòu)。我們結(jié)合光物理、光化學(xué)定律和模擬的薄膜溫度分布，探索了光子燒結(jié)的可能潛在機(jī)制。結(jié)果表明，噴涂的0.1M摩爾濃度Si和Ge乙酰乙酸酯前體溶液在總通量80J/cm²下進(jìn)行光子燒結(jié)可以產(chǎn)生GeOx和SiOx納米結(jié)構(gòu)。由于光子燒結(jié)過程中薄膜中光引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，合成的納米結(jié)構(gòu)被酯官能化。結(jié)果還表明，如果通過增加脈沖數(shù)來增加總通量，納米顆粒尺寸將從~48nm變?yōu)閪11nm。這些結(jié)果對大規(guī)模合成Ge和Si氧化物納米結(jié)構(gòu)材料做出了重要貢獻(xiàn)，而這對于下一代儲能設(shè)備必不可少

文獻(xiàn)介紹：

與本體材料特性相比，納米粒子具有可調(diào)的獨特特性，因而在生物、能源應(yīng)用和電子應(yīng)用等眾多領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價值。納米粒子的獨特特性包括高表面體積比、化學(xué)、電、磁和光學(xué)特性。此外，這些特性可以通過控制納米粒子的尺寸、形狀和相來改變。表1總結(jié)了納米粒子的尺寸相關(guān)特性和應(yīng)用。半導(dǎo)體納米粒子因其獨特的光學(xué)和電子特性以及其他不同的應(yīng)用而特別令人感興趣。Si和Ge納米粒子可用作鋰離子電池的陽極材料、金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)存儲器件中的電流泄漏預(yù)防劑以及改善材料的光穩(wěn)定性。

C、Si和Ge等第14列(IVA)納米粒子因其高天然豐度、獨特的光學(xué)特性、表面化學(xué)和低毒性而成為有前途的半導(dǎo)體納米粒子。Si納米粒子因其卓越的物理和化學(xué)特性為其在電子、傳感器、生物醫(yī)學(xué)和儲能領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了一個新時代。Si具有間接帶隙，并且在較小的玻爾半徑（~4納米）下表現(xiàn)出有希望的量子限制。硅是鋰離子電池的一個有希望的候選材料，因為它的理論容量高達(dá)約3580mAhg^-1。最近，Koki等人報道了用于鋰離子電池的低溫納米結(jié)構(gòu)硅薄膜，其在0.1C速率下容量增強(qiáng)至3200mAhg^-1，可用作可充電電池的柔性陽極。鍺基納米粒子還具有有趣的特性，例如高折射率、窄帶隙、高離子插層能力、低毒性和高電荷載流子遷移率。鍺納米粒子因其在儲能、生物成像和光電子等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而受到研究領(lǐng)域的關(guān)注。與大多數(shù)其他半導(dǎo)體納米粒子不同，由于鍺納米粒子的帶隙小和玻爾半徑大，它們在相對較大的粒徑下表現(xiàn)出量子限制效應(yīng)。Ge納米粒子是一種成本低廉、相對來說更環(huán)保的半導(dǎo)體納米粒子。這些特性以及Ge納米粒子良好的電子特性使其成為儲能和轉(zhuǎn)換設(shè)備的有希望的候選材料，例如加工用于太陽能電池的CuInSe₂、場效應(yīng)晶體管、加工納米結(jié)構(gòu)TiO₂薄膜、焊接聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亞胺箔、非晶硅的再結(jié)晶、石墨烯墨水的導(dǎo)電性增強(qiáng)、光電探測器以及生物成像和閃存設(shè)備。表2總結(jié)了Si和Gen納米粒子的性質(zhì)和應(yīng)用

半導(dǎo)體納米粒子的合成方法主要分為兩類：溶液相化學(xué)方法和基于蒸汽的技術(shù)?？捎糜诤铣砂雽?dǎo)體納米粒子的技術(shù)包括溶膠-凝膠處理、化學(xué)氣相沉積、噴霧熱解、微乳液、冷凝、熱蒸發(fā)、濺射和研磨。

納米粒子研究領(lǐng)域的研究工作主要集中在開發(fā)能夠精確控制納米粒子的尺寸、成分、表面化學(xué)和形態(tài)的合成技術(shù)。微波退火、光化學(xué)活化和基于閃光燈的脈沖光工藝是處理氧化物半導(dǎo)體最流行的方法?；陂W光燈的工藝也稱為光子固化。光子固化是一種多功能的加工方法，可在高溫下瞬間處理薄膜。在光子固化中，加熱間隔非常短（約1-2毫秒），導(dǎo)致非平衡加熱，并從薄膜頂部到基板底部形成熱梯度。

光子固化是一種低體積熱暴露燒結(jié)方法，該技術(shù)之所以新穎，是因為它能夠在低溫基板上將材料熱處理至接近1,200°C的溫度，而這些材料在高于400°C的溫度下會分解。這種新技術(shù)允許將高強(qiáng)度光照射到大面積區(qū)域，在幾分之一秒內(nèi)固化材料，因此適合卷對卷工業(yè)規(guī)模方法。由于速度快，光子固化可用于在不到2毫秒的時間內(nèi)處理大面積區(qū)域（每10厘米長的氙氣閃光燈約200平方厘米），用于納米材料合成。光子固化作為一種處理材料的獨立方法以及輔助各種制造技術(shù)，正在迅速引起人們的關(guān)注。例如，納米粒子的燒結(jié)和功能化、低溫基底上高溫薄膜的加工、有機(jī)電池應(yīng)用的網(wǎng)格加工、有機(jī)場效應(yīng)晶體管電介質(zhì)的合成、金屬氧化物薄膜晶體管的制造、氧化物電子器件和柔性電子器件的加工，都已利用光子固化技術(shù)實現(xiàn)。光子固化已用于納米粒子的燒結(jié)，通過加熱納米粒子至其擴(kuò)散形成薄膜的程度。本文我們報道了光子固化一步合成硅和鍺氧化物納米粒子的方法，這也為擴(kuò)大規(guī)模提供了一種簡便的方法。圖1顯示了通過光子固化加工薄膜的示意圖。示意圖顯示，前體溶液噴灑在基底上，然后進(jìn)行光子固化，然后進(jìn)行表征。通過將脈沖數(shù)從10變?yōu)?0，改變了總能量密度（從80J/cm²到160J/cm²）。整個過程不到30分鐘（包括薄膜制備）。在光子固化過程中，前體經(jīng)歷光化學(xué)和熱過程，然后快速淬火，從而改變薄膜中材料的結(jié)構(gòu)和形態(tài)。本研究合成的硅和鍺基納米結(jié)構(gòu)在表面被氧化，因此命名為硅和鍺氧化物（SiOx和GeOx）納米結(jié)構(gòu)。

當(dāng)前研究中Si和Ge前驅(qū)體的光子固化為開發(fā)新型、經(jīng)濟(jì)且工業(yè)規(guī)模的納米粒子合成技術(shù)提供了可能性。我們在600V的電壓下合成了10個脈沖的氧化硅和氧化鍺納米粒子，并擴(kuò)展了研究范圍，觀察了脈沖數(shù)對納米粒子合成的影響。研究表明，增加脈沖數(shù)可產(chǎn)生尺寸更小、密度更低的非團(tuán)聚納米粒子。

引用：https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/open.202300260

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