硅基纳米结构材料的形貌和性质调控是开拓新型高性能硅基纳电子和光电集成器件的重要基础。基于一种新颖的平面纳米线生长策略，南京大学电子科学与工程学院余林蔚、徐骏教授课题组，提出并实现了一种可编程的晶硅纳米线周期性形貌调控技术，为进而调制其中电子、光子以及声子的输运特性提供了强有力的新技术手段。类似于液体束流中的Plateau-Rayleigh（PR）不稳定特性，一维纳米线在表面能最小化的驱使下，将“倾向于”自发演化成分立的珠串结构。虽然原则上，在低温下固态晶硅纳米线无法完成上述的PR形貌转变，但课题组巧妙地借助于金属纳米液滴的自驱动生长和柔性“固-液”生长界面，在350 oC的低温下，实现了对所生长出纳米线直径和形貌的实时调控，“塑造”出周期性的岛链状（island-chain）纳米线结构。令人吃惊的是，在此过程中PR形变动态可以被宏观调控参量很好地掌控，从而制备出几乎任意中间态的硅纳米珠串形貌结构。例如：可以保持晶硅岛之间的窄沟道连接（这对于电声传输尤其重要），并同时实现岛链状纳米线的精确定向定位。针对此新颖的金属纳米颗粒生长特性，此工作还进一步讨论了其中的独特形貌调控理论，并建立了关键的生长描述模型。此项研究的突破，充分展示了液态金属液滴自组织生长在调控硅基纳米结构材料上的巨大潜力和机遇，也为在大面积尺度上开发和集成新一代的高性能硅基电子和光电子器件，深入研究其中独特的光、热、电及其相互转换特性，提供了理想的结构框架。
(a–c) 展示了在锡（Sn）催化下硅纳米线（SiNWs）面内生长过程中，氢等离子体催化剂形成、非晶硅（a-Si:H）层沉积以及退火生长的步骤；
(d) 显示了在a-Si:H层沉积后锡催化剂液滴的扫描电子显微镜（SEM）图像；
(e) 为锡垫条带内锡液滴初始活化与生长过程的原位SEM观察结果；
(f) 展示了从锡种子条带向外延伸生长的面内硅纳米线；
(g–i) 描绘了直线型硅纳米线自发转变为连续或离散岛链结构的过程，该形貌演化类似于Plateau–Rayleigh不稳定性引起的现象。比例尺： (d, e) 为400 nm，(f) 为10 μm，(g–i) 为200 nm。
(a) 展示从锡垫边缘生长出的单条岛链硅纳米线（ic-SiNW）的放大视图，插图中以绿色高亮显示硅纳米线中部连续岛链结构的特定段落。锡条带宽度为5 μm。图a及插图中的比例尺分别为2 μm和1 μm；(b) 展示纳米尺度运动生长系统中的关键尺寸参数，其中硅纳米线高度与非晶硅层厚度分别标记为Hnw和ha； (c) 绘制了面内岛链状SiNWs的宽度调制曲线，对应a-Si:H层厚度分别为ha=10、15、20和30 nm。
(a) 展示沿刻蚀形成的SiO₂衬底阶梯边缘进行的岛链硅纳米线（ic-SiNWs）定向生长扫描电子显微镜图像，其结构如插图所示；(b) 总结沿图d、c中绿色标记的ic-SiNW段长度方向测得的硅纳米线定向生长宽度变化，并给出平均宽度、最小宽度和最大宽度的线性拟合结果， 沿图d、c中绿色标记的ic-SiNW段长度方向，展示其形态演变全景：从左侧锡垫边缘起始，在平面内引导生长过程中经历离散→连续岛链→均匀尺寸的形态序列转变。比例尺：图(a)为1μm；图(c)为1μm；图(d)为200nm。
本项研究成果论文以Engineering island-chain silicon nanowires via a droplet mediated Plateau-Rayleigh transformation为题发表于《Nature Communications》。论文的第一作者为薛兆国博士，通讯作者是南京大学余林蔚教授和徐骏教授。相关工作得到了电子科学与工程学院的施毅教授、陈坤基教授以及法国巴黎综合理工/CNRS，LPICM实验室Pere Roca i Cabarrocas教授的大力支持。该项研究工作受到“青年计划”，国家基础研究“973”课题，国家自然科学基金，江苏杰出青年基金，江苏省自然科学基金，双创人才计划和江苏省“333”高层次人才培养工程项目的资助。
相关链接：https://www.nature.com/articles/ncomms12836