实现亚10纳米、乃至亚5纳米直径的单晶硅纳米线(SiNWs)的可控集成，是推动下一代高性能晶体管、光电子器件和生物传感器发展的核心挑战。如何实现低成本下三维堆叠超细晶硅纳米线沟道的生长制备成为开拓新一代高性能器件所面临的关键技术瓶颈。
针对这一挑战，南京大学余林蔚教授、王军转教授团队基于其创新的面内固-液-固(IPSLS)纳米线生长机制，通过开发超精细侧壁凹槽刻蚀技术，成功将催化生长的硅纳米线直径推近至理论极限！团队开创性地采用热磷酸(PA)选择性刻蚀结合高温退火工艺，在SiO₂/Si₃N₄多层堆叠结构上制备出尺寸精确可控（凹槽宽度~16 nm，高度~15 nm，间距~10 nm）且结构极其稳定的引导沟道。
得益于此项突破，研究团队在超窄凹槽内实现了IPSLS催化生长，成功制备出垂直阵列排布的超细单晶硅纳米线。高分辨电镜(HRTEM)分析证实，生长的纳米线特征尺寸可小于6 nm，或同时在两个方向上都小于10 nm，其尺寸已逼近甚至达到先进极紫外光刻(EUV)的分辨极限。
更引人瞩目的是，团队首次提出了一个驱动能量理论模型，该模型指出：随着纳米线直径减小至数纳米，其极高的表面曲率导致的内部压力能会显著提升晶体硅的能态。当此能量抵消甚至超过非晶硅前驱体转化为晶态硅所释放的吉布斯自由能（即生长驱动力）时，生长将无法进行。基于此理论计算，团队预测IPSLS生长硅纳米线的直径下限约为2.5-4.2 nm。该模型不仅为当前实验结果提供了理论支撑，更指明了未来继续缩小尺寸的可行性：通过进一步优化凹槽尺寸或调控非晶硅前驱体的内能（如改变无序度、氢含量等），有望突破此极限。
这项研究的意义重大：它不仅在实验上实现了目前报道最细的IPSLS 硅纳米线（<6nm），更重要的是从理论上探明了IPSLS 催化生长硅纳米线的直径极限(~2.5-4.2nm），并证实了通过优化凹槽设计和前驱体状态继续缩小纳米线直径的巨大潜力。这为未来基于催化生长策略集成制备亚5纳米节点高性能微电子器件（如围栅晶体管GAA-FET）、光电子器件及生物传感器，奠定了坚实的工艺与理论基础。
该突破性研究成果以“Diameter scaling limit of catalytic silicon nanowires confined by optimized ultrafine sidewall grooves”为题，发表于国际著名期刊《应用物理快报》(Applied Physics Letters)。南京大学电子科学与工程学院硕士谢铭瑜和博士研究生钱文涛为论文共同第一作者，余林蔚教授为通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金杰出青年科学基金等项目的资助。
论文信息：
Mingyu Xie, Wentao Qian, Junzhuan Wang, Linwei Yu*. Diameter scaling limit of catalytic silicon nanowires confined by optimized ultrafine sidewall grooves. Appl. Phys. Lett. 126, 223103(2025).
DOI: doi.org/10.1063/5.0260135