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南京大學(xué)余林蔚、徐駿教授課題組在柔性襯底上“激光-液滴”自加熱驅(qū)動納米線超高速生長集成新突破

在大面積柔性襯底上直接生長集成高品質(zhì)晶硅納米線溝道是突破高性能柔性電子邏輯、可穿戴傳感和顯示等應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。然而，高品質(zhì)晶體溝道的獲得往往依賴高溫生長過程（>800 ℃）-- 這恰恰是柔性聚合物襯底（熔點(diǎn)<150 ℃）所無法承受的！為此，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院余林蔚教授、徐駿教授課題組基于自主創(chuàng)新的平面固-液-固（IPSLS）納米線生長模式（近期工作Refs. 1-4），探索了一種全新的“激光-液滴”自聚焦局域加熱生長策略，突破了傳統(tǒng)環(huán)境加熱技術(shù)的限制，利用柔性聚合物襯底（聚酰亞胺，PI）和金屬銦催化劑顆粒對特定激光（808 nm）輻照的高選擇性吸收差異，實(shí)現(xiàn)僅在液滴/納米線生長界面附近范圍的高效局部加熱，以驅(qū)動晶硅納米線在柔性襯底上的超高速度生長：在不需要環(huán)境加熱的室溫“冷”環(huán)境下，其生長速度可以高達(dá)3.5 μm/s，比傳統(tǒng)加熱方式納米線生長速度提高了3個數(shù)量級。值得一提的是，即便在此高速生長過程中，IPSLS納米線的生長路徑依然可以被精確引導(dǎo)定位，并成功展示了豐富的線形調(diào)控能力。此外，由于納米金屬液滴具有極小的熱熔，通過調(diào)控激光照射時序，可以對納米線生長動態(tài)過程進(jìn)行前所未有的精確調(diào)控（例如，對生長液滴實(shí)現(xiàn)瞬間“激活和冷卻”等操作），從而實(shí)現(xiàn)對超長納米線的精準(zhǔn)形貌/直徑編碼。基于此技術(shù)，成功在柔性PI襯底上生長高品質(zhì)納米線溝道，并制備了納米線場效應(yīng)晶體管（FET）器件，其電流開關(guān)比和亞閾值擺幅分別為>104和386 mV/dec。此“激光-液滴”選擇性加熱生長策略有望推廣應(yīng)用于：在各類大面積、低成本柔性襯底上的“冷”環(huán)境中，直接定位生長和集成高品質(zhì)晶硅納米線陣列，為推動各種高性能柔性電子器件的規(guī)模化應(yīng)用提供關(guān)鍵的材料支撐和全新的技術(shù)路線。

南京大學(xué) 2021-02-01

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