硅納米管作為一種新型的一維納米材料，與碳納米管一樣，具有比表面積大、活性位點多、質量輕等特性，除此之外，還因其與現有硅基微電子技術有著極好的兼容性，故在納米技術和納米器件的應用方面，如電子學領域、能量存儲、生物傳感器、場效應晶體管(FETs)和醫療等領域上將比碳納米管更有前景，是推動未來科技發展非常理想的候選材料。

雙壁硅納米管結構模型（上）及細節圖（下）

硅納米管的內部原子排序方式與碳納米管相似，都是六邊形蜂窩狀的管狀結構，但硅原子比碳原子多一層核外電子，原子半徑較大，且沿不同方向的化學鍵鍵長波動比碳納米管（CNTs）的大，故形成SiNTs的結構表面有褶皺，較難實現穩定結構的制備。為此，科研人員付出了巨大的努力，目前制備SiNTs的方法制備方法已經發展出了模板法、直流電等離子體法和水熱法等。

一、模板法

傳統的模板法是目前最為常用的制備方法，可以根據模板的直徑和長度實現尺寸控制。一般是使用貴金屬作為催化劑，采用氧化鋅（ZnO）、氧化鎂（MgO）、鍺（Ge）、氧化鋁（Al₂O₃）等的納米線材料作為易腐蝕的模板，在較高溫下通過CVD使硅源（硅烷）熱裂解，在模板上堆積形成一層均勻的硅薄，最后用氟化氫（HF）、鹽酸（HCl）、氣相蝕刻或者濕化學蝕刻技術去除內部模板得到內部空心的SiNTs。硅殼體的厚度由硅烷暴露時間（6-10 min）控制，在制備過程中對CVD過程的控制，不僅可以靈敏地調整Si殼層的厚度（10-100 nm的厚度），也可以通過控制晶體成核和生長來改變產物的形貌和結構。

氧化鋅納米線模板法制備SiNTs

模板法制備硅納米管主要有兩個優點，一是對制備的條件不敏感，易于操作和實施，二是在制備過程中可以通過控制硅烷暴露時間靈敏地調整Si殼層的厚度，也可通過控制晶體成核和生長來改變產物的形貌和結構。但由于涉及構建模板、熱蒸發硅源、去除模板等步驟，制備過程較為復雜，且大多數模板法需要貴金屬作為催化劑，不僅增加制備成本，而且生成的產物中摻雜著貴金屬會影響其真實性質。

二、水熱法

由于硅的雜化方式與碳原子不同，為SP³雜化，使得硅易形成線狀結構，而不像碳一樣易生成管狀結構。因此長期以來，自組生長的SiNTs長期以來一直無法在實驗室中合成，直至唐元洪等在實驗室中采用水熱法合成了真正意義上的自組生長且結構穩定的硅納米管。水熱法是以具有亞穩態結構的SiO為硅源，去離子水為反應介質，在高溫高壓實驗條件下SiO容易形成硅和氧化硅實現硅納米管自主生長，隨后用高壓反應釜自然冷卻至室溫，即可得到表面光滑、直徑分布在8～20 nm之間的多壁硅納米管。

水熱法制備 SiNTs 的 TEM 圖像，(a)為管身；(b)為管頭

在這個過程中，無需使用任何催化劑及模板，高溫高壓超臨界水熱狀態能夠使硅原子從SP3雜化轉變為SP2雜化，故硅原子會自發地結合成周期性排列、結構確定、熱力學穩定及性能優異的管狀聚集體體系，制備的硅納米管完全可以體現自身的真實特性。同時，水熱法所采用的原料來源廣泛且無污染，因此具有制備成本低、環保的優點，而所采用的設備為工業上常用的反應釜，技術成熟可靠，不僅能很好地控制合成產物的均勻性和和形貌，還可適用于規模化的生產，但較高的溫度與壓強存在一定的危險性。

三、直流電等離子體法

直流電等離子體法在制備過程中也無需添加任何金屬充當催化劑，通常只需在一個充滿氫氣或者氬氣且氣壓略小于大氣壓的容器內的容器內進行，容器是由兩層含有水冷凝的不銹鋼小容器組成。制備時使用硅粉末覆蓋在經水冷凝的石墨基片上作為陽極，然后在石墨襯底上使硅粉擴散。通過在電極兩側提供持續性的直流電，可生成SiNTs和硅納米團簇，其中SiNTs約占10%。使用這種方法制備出的SiNTs具有超薄管壁的特點（厚度約為0.6 nm），并且大多數合成的SiNTs生長狀況良好，其表面沒有被氧化，但通過高溫將反應物等離子化時，反應條件可能難以準確控制，導致硅納米管的尺寸、形狀和結構的不均勻性，同時易生成一些副產物，影響硅納米管的純度。

直流電等離子體法制備 SiNTs 的 TEM 圖像

小結

作為一種新型的一維納米材料，硅納米管具有高表面積、低導熱和較大的光吸收率等特性，同時還與硅基現有硅技術有著極好的兼容性。然而，因硅為SP³雜化，故較難實現穩定結構的制備，除了文章中所介紹的幾種制備方式，電化學法、溶膠-凝膠法、電弧放電法等也都能被成功應用于硅納米管的制備，但就目前而言，水熱法仍被認為是最方便和實用的技術之一，可合成真正意義上的自組生長且結構穩定的硅納米管。

參考文獻：

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4、周盧玉. 硅納米管的微觀結構模擬和電學性質研究[D].貴州大學.

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