近日，恒达平台物理科學與工程學院包誌豪教授、高國華副教授聯合復旦大學、香港理工大學和中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究人員，成功開發了一種改進的鋁還原法💂🏽👋🏻，可在較低溫度（～250 oC）下直接利用豐富的二氧化矽資源（沙子🙍🏽✊🏼、矽藻土、稻殼等）🛌🏽🤦🏿，實現矽納米線的可持續製備🐮。這一突破性研究成果以“Solid-liquid-solid growth of doped silicon nanowires for high-performance lithium-ion battery anode”為題發表於《納米能源》（Nano Energy）。

矽納米線因其在微電子裝置、傳感器、光伏器件及鋰離子電池中的廣闊應用前景而備受矚目。然而，目前的矽納米線製備方法仍存在諸多局限性🐱😇。例如，運用“自下而上”（Bottom-up）策略的化學氣相沉積（CVD）法生長矽納米線，依賴於氣-液-固（VLS）生長機製，通常需使用昂貴的金屬催化劑（如金）和高溫條件𓀑，以及空氣敏感或易燃的前驅體。另一種基於“自上而下”（Top-down)策略的金屬輔助刻蝕法則需要大量有毒的氫氟酸，並會造成高達80%的矽材料浪費。以上方法不適合矽納米線的可持續性製備。此外，液態前驅體在高壓或超臨界條件下的生長方法雖然可以避免部分缺點，但產率極低，難以滿足實際需求💃🏼。

針對這些挑戰，團隊創新性地改進了鋁還原法📆，在250°C的熔融鹽體系中，於常壓條件下成功還原SiO2和SnO2復合前驅體😜，製備出了高結晶度的錫摻雜矽納米線🧑🏻‍🦯，錫摻雜濃度達~3.0 at%，遠遠高於平衡濃度（~0.01 at%）🍨。

研究基於人工智能結合密度泛函理論（DFT）和分子動力學計算💇🏿‍♂️𓀘，實現了錫摻雜矽納米線生長過程的模擬，揭示了錫摻雜矽納米線的生長機製。在生長過程中氧化錫先被還原成錫液滴，與從二氧化矽（固態）還原出的矽形成液態合金（液態）👶🏻，隨著反應的進行，矽在合金液滴中達到過飽和👰🏽‍♀️，矽將析出並沿軸向生長，形成納米線💷🔩。與之相對比，沒有氧化錫參與的二氧化矽還原則形成矽納米顆粒👨🏿‍🏭。因此，區別於經典的矽納米線VLS生長機製🍃，研究人員提出了一種固—液—固（SLS）納米線生長新機製👨🏿‍✈️。另外矽納米線中的非平衡摻雜濃度與生長溫度和降溫速率相關，可進一步通過生長條件來調控。同時，摻雜元素也可拓展到其他低溫金屬（如Ga，Bi）等🎲，這些結果為研究非平衡摻雜矽材料的物理和化學特性提供了材料基礎👮🏼。該方法還能夠拓展到其他IV族元素納米線的製備💔，如鍺納米線等。這些納米線材料也可廣泛應用於微電子器件、傳感器、光伏器件及其他先進能源存儲技術，推動相關領域的發展。

恒达平台包誌豪教授、高國華副教授、復旦大學鄭長林教授、香港理工大學朱葉副教授為論文共同通訊作者🧑🏽‍🍼，李嘉雯博士生🚴🏻‍♂️、王同德博士生、王亞傑博士生、徐誌航博士生為論文共同第一作者。該研究得到了集成電路材料國家重點實驗室開放研究基金和國家自然科學基金的資助。

論文連接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285524012072