納米硅：我變小了，也變強了

硅是地球表面含量第二豐富的元素，僅次于氧。其儲量豐富且成本低廉的特性，使其成為最易獲取的無機材料之一。在當代技術發展中，納米化可以顯著改善硅的多種性能，使其在硅基負極材料、光伏電池、發光、生物醫藥等領域具有廣泛的應用潛力。

什么是納米硅？

納米硅指的是大小為納米級別的硅顆粒。納米硅粉具有純度高，粒徑小，分布均勻等特點。具有表面積大，高表面活性，松裝密度低的特點，產品無毒、無味。

圖片來源：東超新材料

納米硅的制備工藝

目前，納米硅粉的制備方法主要有機械球磨法、化學氣相沉積法、等離子蒸發冷凝法三種。國內對納米硅粉的研制起步較晚，制造水平相對落后，通常采用機械球磨法合成納米硅粉，少部分高校和科研院所可以通過化學氣相沉積法和等離子蒸發冷凝法制備納米硅粉，但僅處于實驗室階段，無法達到批量化生產。

?機械球磨法

利用機械旋轉及粒子之間的相互作用產生的機械碾壓力和剪切力將尺寸較大的硅材料研磨成納米尺寸的粉末，通常采用濕法砂磨結合噴霧干燥。該方法研磨過程需加入助磨劑，研磨后需經一定的后處理工序，研磨出來的納米硅粒徑在100nm左右，并且可以進一步降低到75-80nm。業內人士認為，在硅碳負極放量窗口期來臨之前，球磨法鏈條中的工藝流程以及設備的優化需重點關注，以實現產品性能和成本的最佳平衡。

?化學氣相沉積法

化學氣相沉積法是一種以硅烷（SiH4）為反應原料進行納米硅粉生產的技術。根據誘發SiH4熱解能量源不同，可分為等離子增強化學氣相沉積法（PECVD）、激光誘導化學氣相沉積法（LICVD）和流化床法（FBR），其中PECVD和LICVD是目前生產納米硅粉最主要的工業生產技術。美國杜邦公司在20世紀70年代已采用PECVD方法實現了納米硅粉批量化生產。但一般的化學氣相沉積法以硅烷為原料，屬于易燃易爆氣體，不利于輸運和儲存，因此在該方法的基礎上，演變出了氣相誘導合成法等衍生路徑。

?等離子蒸發冷凝法

該方法是近10年來用于制造高純、超細、球形、高附加值粉體的一種安全高效的方法。一般通過等離子熱源將反應原料氣化成氣態原子、分子或部分電離成離子，并通過快速冷凝技術，冷凝為固體粉末。非常適合制備與合成各類金屬納米粉體以及碳化物、氮化物納米粉體，該方法制備的納米硅粉純度高、粒度可控、生產效率高。是國外龍頭廠商目前應用的主流技術。但國內引入該方法較晚，目前的研究起步不久，還存在基礎理論研究不夠深入、對納米顆粒的性能研究范圍窄、還未很好解決產量和產率等問題，高性能納米硅粉制備環節尚未實現國產自主可控。

此外，動力電池初創公司Group14 Technologies通過在碳表面進行沉積硅，硅粒徑可以做到5nm甚至更小、表面包覆完整，目前G14小試已經做到公斤級級別并且比較快速的走向中試，但仍需解決硅材料粉末電阻率、比表偏大、工藝放大等問題。

納米硅的應用

硅基負極材料領域

近年來，鋰電池迅猛發展，其中硅負極材料作為下一代高能量密度鋰電池的重要組成部分而備受關注。然而，硅在鋰化過程中的體積膨脹意味著需要對活性物質進行優化，以使其在重復循環中實現可逆合金/脫合金，而不粉碎或降解活性物質。因此，與傳統的微米大小的硅負極相比，硅負極結構的納米化能夠在一定程度上實現性能的長期穩定性。

光伏電池領域

納米硅可應用于第二代硅基薄膜光伏電池-微晶硅薄膜電池的制備原料，納米硅為原料的第二代硅基薄膜電池路線具備其他二代硅基路線不可比擬的優勢，但目前納米硅的制備、到光伏電池應用尚不成熟，且二代光伏電池路徑目前市占較低，并非主流技術路徑。

將高純度納米晶硅制備成硅電子漿料涂覆在太陽能電池基板表面，進一步提高硅太陽能電池的轉化效率成為太陽能工業中的一個重要方向。

發光領域

通過調控納米硅顆粒直徑，可實現從藍光到紅光的全譜系發光，且支持電控制電子發光。納米硅線作為硅基光電子光源，由哈佛大學的Lieber教授于1998年首次制備成功，現已廣泛應用于集成電路。

生物醫藥領域

由于低毒性和生物相容性，硅基生物材料在生物醫學領域長期發揮著不可或缺的作用。隨著納米技術逐漸成為科學研究的焦點，自2001年，中孔硅納米顆粒被巧妙地用作藥物遞送的載體以來，零維硅基納米材料在生物醫學應用中得到了廣泛的發展。例如，受半導體量子點因量子限制效應而產生的光致發光特性的啟發，已研究出具有良好生物相容性的硅量子點作為新型生物成像探針。

其他應用

納米硅除了上述應用以外，還已用于制備大功率整流器、大功率晶體管、二極管、開關器件、半導體分立器件、功率器件、集成電路和外延襯底等；可應用于耐高溫涂層和耐火、耐腐蝕、耐靜電材料的原料；納米硅與金剛石高壓下混合形成碳化硅——金剛石復合材料，用做切削刀具；用于制備高硅鑄鐵、硅鋼、各種有機硅化合物等。

值得一提的，在納米硅領域的研發上，我國科學家取得顯著成就，如成功制備納米硅顆粒、納米硅線及納米硅管，特別是做出了全世界首個納米硅管，引導了國際上納米硅管的制備。同時，在納米硅圍柵器件領域實現了突破，如北京大學團隊在硅納米線GAA彈道運輸研究中，首次實驗驗證了彈道輸運效率與自熱效應，也首次提取了硅納米線圍柵器件的漲落源，并通過優化設計大幅提升了器件的模擬與射頻性能。

參考來源：

中國氫能產業深度研究--納米硅專題研究.云道資本

從實驗室到產業化，納米硅負極實際應用還有多遠.能源學人

楊文智等.太陽能級納米硅粉制備技術及發展概況

楊德仁院士:硅為何成為集成電路的首選材料.學習時報

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