（综述）复旦大学最新Adv. Funct. Mater.：用于先进电子学与光电子学的柔性硅纳米膜的最新研究进展

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硅纳米膜是一种新兴材料，具有超薄的厚度，它将半导体的电学性能与块状材料所缺乏的柔韧性结合在一起。这些纳米膜能够赋予器件更强的功能，满足了 “超越摩尔定律” 的下一代技术的发展需求。近年来，随着制备技术和基础原理研究的不断推进，硅纳米膜的研究重点已从材料制备和组件加工演变为功能化和系统级集成。这篇综述首先概述了硅纳米膜的制备方法和形成原理。在器件的进步和应用方面，涵盖了光电器件、传感器、生物医学、能量收集以及集成电路等领域的发展情况。最后，该综述讨论了硅纳米膜技术当前面临的挑战，以及硅纳米膜器件和系统在未来光电子学、生物医学、能量收集和先进集成电路架构中的潜力。 

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研究背景

硅作为半导体领域的关键元素之一，在现代电子技术、工业产品以及全球经济的发展中发挥着举足轻重的作用。然而，随着对器件性能和功能的要求不断提高，基于硅的器件的传统优化策略面临着诸多挑战。目前集成电路小型化的趋势正逐渐逼近物理极限，随着集成密度的增加，热管理问题也愈发严峻。此外，诸如隧穿效应和短沟道效应等量子效应变得更加显著，这削弱了器件的稳定性和性能。再者，块状硅材料本身所固有的刚性以及缺乏柔韧性的特点，使其难以适用于那些需要具备柔性和多功能特性的新兴应用领域。这些局限性制约了传统硅器件在未来高性能、多功能电子系统中的应用。

在这一技术框架下，硅纳米膜（SiNMs）已成为下一代器件的关键解决方案。由于材料的弯曲刚度与其厚度的立方成正比，薄膜的纳米级厚度使其具备显著的柔韧性和结构可塑性。与此同时，硅纳米膜能够保持优异的半导体材料性能，同时还能实现额外的外场耦合和探测功能。值得注意的是，通过基于应变工程的自卷曲工艺构建的硅纳米膜，以及利用转移印刷技术制造的柔性硅纳米膜器件，从 “超越摩尔定律” 的角度推动了技术的进步。自卷曲工艺利用了在硅纳米膜的外延生长或沉积过程中引入的应变梯度，通过应变释放形成微结构，从而实现了一步法微结构制造。该工艺通过三维空间融入额外的功能，提高了器件的集成度，这在光电子学、微机电系统（MEMS）以及能源相关应用中至关重要。相反，转移印刷工艺允许将无应变的硅纳米膜转移到指定的柔性基板上，有利于制造具有优异生物相容性、可扩展性以及新颖物理机制的器件。       

在这篇综述中，概述了硅纳米膜（SiNMs）在电子器件和能量收集领域的制备工艺、物理性质、器件应用以及未来发展方向。首先，讨论了硅纳米膜的制备、组装和转移的原理与方法。在此之后，深入探讨了柔性硅纳米膜在光电子学、物质传感、生物医学以及能源相关领域的应用及其独特优势。然后，探究了在下一代电子器件和能量存储系统中，使用柔性硅纳米膜实现大面积集成、多维传感以及高性能能量存储所面临的挑战和取得的突破。在综述的结尾，从材料、器件和系统的角度分析了硅纳米膜进一步发展所面临的瓶颈，突出了需要关注的研究方向，此外还探索了有前景的加工技术。作者相信，硅纳米膜作为一种不可或缺的薄膜材料，将继续在电子和光电子器件领域作出贡献。

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图文导读

图1 自卷曲且受拉伸应变的硅纳米膜（SiNM）光电探测器。a）卷曲的外延硅纳米膜光电探测器的扫描电子显微镜（SEM）图像。b）卷曲的外延硅纳米膜光电探测器的响应率 - 波长曲线。c）通过外延硅纳米膜光电探测器的 830 纳米线偏振光的光电流。d）硅 / 铬纳米膜（Si/Cr NM）光电探测器的多种结构。e）硅 / 铬纳米膜光电探测器的定向光探测示意图。f）通过硅 / 铬纳米膜光电探测器进行方向识别的神经网络示意图。g）通过神经网络对入射光在纵向和横向方向的角度识别。h）聚酰亚胺（PI）基板上受应变的硅纳米膜光电探测器阵列的扫描电子显微镜图像。i）压力控制的硅纳米膜光电探测器阵列在不同波长下的响应率。        

图2 硅纳米膜（SiNM）褶皱及柔性结构光电探测器的设计与性能。a）弯曲状态下的硅纳米膜光电晶体管的照片。b）在未产生褶皱的弹性体基板上集成硅纳米膜 n 型金属氧化物半导体（n-MOS）和二极管的示意图。c）在弯曲且受剪切力的弹性体基板上，褶皱状硅纳米膜阵列的应变分布的有限元分析（FEA）模拟结果。d）电子眼内硅纳米膜光电二极管单元的示意图及光学图像。e）起皱的硅纳米膜光电探测器的示意图。f）基于硅纳米膜的微桥测辐射热计的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图3 植入式硅纳米膜（SiNM）瞬态器件的机理与性能。a）按时间顺序排列的，分别被thermal SiO₂、Al₂O₃/parylene C以及块状液晶聚合物封装的镁（Mg）的溶解过程的光学图像。b）瞬态硅纳米膜器件中的反应 - 扩散模型。c）瞬态镁 / 硅纳米膜晶体管的设计与性能。d）热触发的硅纳米膜晶体管的光学图像。e）加热后硅纳米膜晶体管中瞬态行为的光学图像。f）硅纳米膜晶体管的瞬态电流 - 电压（I-V）特性。