单晶硅纳米阵列的制备及其应用(3)
1.2.2 硅纳米线的物理特性
实验室制得的硅纳米线直径一般为20nm左右。尺寸效应的影响决定了硅纳米线具有表面效应、小体积效应以及量子尺寸效应等纳米材料的共有性质[2]；此外，硅纳米线还具有其他材料所没有的特殊性质。例如相比其他纳米材料，掺杂的硅纳米线具有更好的场发射性能，使其在平板显示技术上具有更大的应用潜力。
（1）硅纳米线场发射特性
Fowler-Nordheim（FN）理论[3]认为材料的场发射电流I是发射区面积A、外加电场E，发射阴极的局部几何因子的函数，即：
对掺杂硼的硅纳米线的场发射进行测量，结果表明，硼掺杂的硅纳米线的场发射性能远远高于碳纳米线等其他纳米材料，在平板技术领域具有更大的发展潜力。
Tang等[4,5]对硼掺杂硅纳米线的场发射特性进行了测量。在电场中发射出0.01 mA/cm2电流密度对应的阀值场强为6 V/μm，低于相同直径的本征硅纳米线的阀值场强（9 V/μm）。采用传统的 Fowler-Nordheim (FN)理论分析了硼掺杂硅纳米线的场发射特性，研究认为所有具有不同样品与阳极探头距离的FN曲线几乎都落在窄的区域，同时有相似的y截距值，说明纳米线分布均匀。对场发射也进行了稳定性测试，初始场强电流密度为110 μA/cm2，并记录了工作电压和样品与阳极探头距离相同时3h内场发射电流密度的变化数值，从这些记录数值中没有观察到电流密度有明显的下降趋势，其波动幅度在±15%以内，以上都说明B-SiNCs在场发射器件中极有应用潜力。Au等[7]也研究了本征硅纳米线的场发射特性后，认为场发射特性与硅纳米线的直径密切相关，随着直径的减少，场发射特性逐渐增强；对硅纳米线进行氢离子处理以减少线的氧化外层可以增加场发射的均匀性。
（2）硅纳米线的电子传输特性
电子输运是一文纳米材料的重要特性之一，哈佛大学的Cui等[5]测量了分别以硼、磷作为掺杂源的硅纳米线的电子输运特性。通过对记录在零栅极电压(Vg = 0)时的I-V曲线分析可知本征硅纳米线的电阻系数为3.9×102 Ω・cm，当Vg为正电压时，电阻系数减小，为负电压时，电阻系数增加。少量硼掺杂硅纳米线在Vg = 0时电阻系数为1 Ω・cm，比本征硅纳米线的测量值低两个数量级；重掺杂硅纳米线的电阻系数仅为6.9×10-3 Ω・cm，且此值与Ｖg值无关。少量磷掺杂硅纳米线的I-V曲线为非线性，说明在电极与硅纳米线为非理想接触，与硼掺杂硅纳米线所测得的结果相反，估计在Vg = 0时的电阻系数为2.6×102 Ω・cm；磷重掺杂硅纳米线的I-V曲线为线性, 电阻系数为2.3×10-2 Ω・cm，与Ｖg值无关。低电阻系数和Ｖg函数关系说明通过磷掺杂硅纳米线也可以得到高载流子浓度。以上结果表明硼和磷可以大幅度改变硅纳米线的电导率，并且电导率的变化与Ｖg值无关。Hu等[8]对硅纳米线的I-V测试研究表明不仅低温（T = 31K）时在零偏压时的电流很小，而且室温时也是如此，作者认为这可能是由于硅纳米线存在库仑阻塞才引起的。
同时因为半导体在电子器件应用中重要的参数之一就是电子传输特性。哈佛大学的Lieber小组分别研究了硅纳米线的电子传输特性，选择的是以硼、磷为掺杂源的硅纳米线[6]。利用化学气相沉积技术合成掺杂的硅纳米线，SiH4 : B2H6比例分别为1000 : 1和2 : 1。结果表明，通过分析I-V曲线发现掺杂硼和磷的硅纳米线电子传输率明显高于未掺杂的硅纳米线。并且掺杂硅纳米线的电导率为随着温度降低而减小。当温度低于4.2K时，重掺杂的硅纳米线的库伦阻塞效应将会消失。
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