可应用于高温、酸性以及强氧化性环境的硅基纳米电缆
时间:20/04/14

纳米互连导线是微电子、纳电子功能系统中不可或缺的重要组成部分,高电导率、耐受高电流密度、柔性以及优异的理化稳定性代表其先进的品质因数。一直以来,针对金属银、铜纳米线的相关研究较多。然而,他们并不能直接作为自支撑的电缆进行应用。这就好比没有绝缘层的裸露铜线无法直接用于输电线路,不仅涉及到安全问题,金属活泼的理化特性使其极易被氧化,被酸性甚至潮湿环境腐蚀,从而导致性能退化。因此,用绝缘壳层(比如橡胶)将其与外部环境分离开是不可或缺的。

图1.(a) Mn5Si3@SiO2纳米电缆的扫描电镜照片;(b) 单根线的柔性展示;(c)核壳结构展示;(d) 单根纳米电缆在300℃左右带动红色发光二极管工作;(e)  器件衬底的红外热成像;(f) I-V特性;(g) 高温下长时间工作电流稳定性调查。

从理化特性来讲,金属硅化物同样拥有出色的电导率,同时展现出更好的稳定性。近日,中山大学材料科学与工程学院孙勇研究员、王成新教授研究团队发展了一种Si-Mn-O玻璃态物质中控制Si-Mn形核、生长的动力学策略,实现了毫米级长度的Mn5Si3@SiO2纳米电缆结构(图1)。单个结构中,不论壳层厚度、还是电芯尺寸均表现出令人吃惊的均匀性(尺寸波动<4%),同时展现出极好的柔性与自支撑特性,不同弯曲程度下电阻几乎没有任何变化。统计电阻率数值为1.28 - 3.84×10-6 Ω·m,最大耐受电流为1.22 - 3.54×107 A cm-2,分别为同等测试条件下同等尺寸银纳米线的10倍与1/3。这样一根导线在300℃的温度下,24小时的测试时间内,电阻保持稳定,证明其能够长时间在高温环境中正常工作。

如图2所示,在1 mol/L的HCl溶液中模拟强酸性环境,发现I-V特性几乎和空气环境中一致;在较长的一段时间内,原位监测导线在溶液中的电学特性变化,发现性能并无衰退。进一步,在溶液中外加矩形波电场,模拟复杂的外部干扰信号,导线仅由于电容效应发生十分微小的电阻变化。另外,同样考察了其耐氧化特性,放在30%双氧水溶液中20小时,电阻未发生明显变化。这些设计实验充分说明所设计的复合纳米电缆能够应用于高温、酸性、强氧化性以及液体环境,同时能够抵抗复杂的电场信号干扰。

图2. (a) 盐酸溶液中电学特性表征用器件制作示意图;(b) 实物图,蓝绿色部分为树脂封装;(c) 导线局部放大图;(d) 空气中,浸泡在HCl溶液中的I-V特性;(e) 长时间浸泡在HCl溶液中的电流稳定性调查;(f) 外加矩形波信号,原位观测导线电流;(g) 30%双氧水溶液中浸泡不同时间后的I-V特性。

 该工作近期发表在Nature Communications 上。其中孙勇研究员为第一作者,王成新教授为通讯作者。此项研究得到国家自然科学基金委和光电材料与技术国家重点实验室的大力资助。

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Millimeters long super flexible Mn5Si3@SiO2 electrical nanocables applicable in harsh environments

Yong Sun, Bo Sun, Jingbo He, Guowei Yang, Chengxin Wang

Nat. Commun., 2020, 11, 647, DOI: 10.1038/s41467-019-14244-5


导师介绍

王成新

https://www.x-mol.com/university/faculty/55436


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