纳米硅：我变小了，也变强了

硅是地球表面含量第二丰富的元素，仅次于氧。其储量丰富且成本低廉的特性，使其成为最易获取的无机材料之一。在当代技术发展中，纳米化可以显著改善硅的多种性能，使其在硅基负极材料、光伏电池、发光、生物医药等领域具有广泛的应用潜力。

什么是纳米硅？

纳米硅指的是大小为纳米级别的硅颗粒。纳米硅粉具有纯度高，粒径小，分布均匀等特点。具有表面积大，高表面活性，松装密度低的特点，产品无毒、无味。

图片来源：东超新材料

纳米硅的制备工艺

目前，纳米硅粉的制备方法主要有机械球磨法、化学气相沉积法、等离子蒸发冷凝法三种。国内对纳米硅粉的研制起步较晚，制造水平相对落后，通常采用机械球磨法合成纳米硅粉，少部分高校和科研院所可以通过化学气相沉积法和等离子蒸发冷凝法制备纳米硅粉，但仅处于实验室阶段，无法达到批量化生产。

机械球磨法

利用机械旋转及粒子之间的相互作用产生的机械碾压力和剪切力将尺寸较大的硅材料研磨成纳米尺寸的粉末，通常采用湿法砂磨结合喷雾干燥。该方法研磨过程需加入助磨剂，研磨后需经一定的后处理工序，研磨出来的纳米硅粒径在100nm左右，并且可以进一步降低到75-80nm。业内人士认为，在硅碳负极放量窗口期来临之前，球磨法链条中的工艺流程以及设备的优化需重点关注，以实现产品性能和成本的最佳平衡。

化学气相沉积法

化学气相沉积法是一种以硅烷（SiH4）为反应原料进行纳米硅粉生产的技术。根据诱发SiH4热解能量源不同，可分为等离子增强化学气相沉积法（PECVD）、激光诱导化学气相沉积法（LICVD）和流化床法（FBR），其中PECVD和LICVD是目前生产纳米硅粉最主要的工业生产技术。美国杜邦公司在20世纪70年代已采用PECVD方法实现了纳米硅粉批量化生产。但一般的化学气相沉积法以硅烷为原料，属于易燃易爆气体，不利于输运和储存，因此在该方法的基础上，演变出了气相诱导合成法等衍生路径。

等离子蒸发冷凝法

该方法是近10年来用于制造高纯、超细、球形、高附加值粉体的一种安全高效的方法。一般通过等离子热源将反应原料气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过快速冷凝技术，冷凝为固体粉末。非常适合制备与合成各类金属纳米粉体以及碳化物、氮化物纳米粉体，该方法制备的纳米硅粉纯度高、粒度可控、生产效率高。是国外龙头厂商目前应用的主流技术。但国内引入该方法较晚，目前的研究起步不久，还存在基础理论研究不够深入、对纳米颗粒的性能研究范围窄、还未很好解决产量和产率等问题，高性能纳米硅粉制备环节尚未实现国产自主可控。

此外，动力电池初创公司Group14 Technologies通过在碳表面进行沉积硅，硅粒径可以做到5nm甚至更小、表面包覆完整，目前G14小试已经做到公斤级级别并且比较快速的走向中试，但仍需解决硅材料粉末电阻率、比表偏大、工艺放大等问题。

纳米硅的应用

硅基负极材料领域

近年来，锂电池迅猛发展，其中硅负极材料作为下一代高能量密度锂电池的重要组成部分而备受关注。然而，硅在锂化过程中的体积膨胀意味着需要对活性物质进行优化，以使其在重复循环中实现可逆合金/脱合金，而不粉碎或降解活性物质。因此，与传统的微米大小的硅负极相比，硅负极结构的纳米化能够在一定程度上实现性能的长期稳定性。

光伏电池领域

纳米硅可应用于第二代硅基薄膜光伏电池-微晶硅薄膜电池的制备原料，纳米硅为原料的第二代硅基薄膜电池路线具备其他二代硅基路线不可比拟的优势，但目前纳米硅的制备、到光伏电池应用尚不成熟，且二代光伏电池路径目前市占较低，并非主流技术路径。

将高纯度纳米晶硅制备成硅电子浆料涂覆在太阳能电池基板表面，进一步提高硅太阳能电池的转化效率成为太阳能工业中的一个重要方向。

发光领域

通过调控纳米硅颗粒直径，可实现从蓝光到红光的全谱系发光，且支持电控制电子发光。纳米硅线作为硅基光电子光源，由哈佛大学的Lieber教授于1998年首次制备成功，现已广泛应用于集成电路。

生物医药领域

由于低毒性和生物相容性，硅基生物材料在生物医学领域长期发挥着不可或缺的作用。随着纳米技术逐渐成为科学研究的焦点，自2001年，中孔硅纳米颗粒被巧妙地用作药物递送的载体以来，零维硅基纳米材料在生物医学应用中得到了广泛的发展。例如，受半导体量子点因量子限制效应而产生的光致发光特性的启发，已研究出具有良好生物相容性的硅量子点作为新型生物成像探针。

其他应用

纳米硅除了上述应用以外，还已用于制备大功率整流器、大功率晶体管、二极管、开关器件、半导体分立器件、功率器件、集成电路和外延衬底等；可应用于耐高温涂层和耐火、耐腐蚀、耐静电材料的原料；纳米硅与金刚石高压下混合形成碳化硅——金刚石复合材料，用做切削刀具；用于制备高硅铸铁、硅钢、各种有机硅化合物等。

值得一提的，在纳米硅领域的研发上，我国科学家取得显著成就，如成功制备纳米硅颗粒、纳米硅线及纳米硅管，特别是做出了全世界首个纳米硅管，引导了国际上纳米硅管的制备。同时，在纳米硅围栅器件领域实现了突破，如北京大学团队在硅纳米线GAA弹道运输研究中，首次实验验证了弹道输运效率与自热效应，也首次提取了硅纳米线围栅器件的涨落源，并通过优化设计大幅提升了器件的模拟与射频性能。

参考来源：

中国氢能产业深度研究--纳米硅专题研究.云道资本

从实验室到产业化，纳米硅负极实际应用还有多远.能源学人

杨文智等.太阳能级纳米硅粉制备技术及发展概况

杨德仁院士:硅为何成为集成电路的首选材料.学习时报

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