納米硅的案例
硅納米柱嵌鋰過程的塑性流動和原子尺度應力變化
（文：李澍）
圖1硅納米柱結構：嵌鋰前后的(a) 實心和(b)空心硅納米柱
圖2不同硅納米柱的嵌鋰過程：(a)非晶硅納米柱和(b?d)不同軸向取向的晶體硅納米柱
圖3硅納米柱嵌鋰過程中的能量最小化策略：(a)嵌鋰的硅納米柱中定義的三個區域；(b)四階段最小化示意圖；(c)用四種不同的極小化方法計算第四階段的勢能變化
圖4不同直徑實心非晶硅納米柱的模擬結果：(a)初始半徑為10.0nm的嵌鋰非晶硅納米柱的最終形狀；(b)非晶硅納米柱的體積膨脹率隨Li含量的變化；(c?f)完全嵌鋰后原子體積、原子徑向應力的分布(σr)、環向應力(σθ),、軸向應力(σz)沿徑向距離的分布；(g?i)不同嵌鋰階段的應力分布
圖5不同直徑的空心非晶硅納米柱的模擬結果；(a,b)嵌鋰過程中外徑和內徑的變化；(c?f)嵌鋰后原子體積、徑向應力、環向應力和軸向應力的分布
圖6 嵌鋰后后不同軸向晶體硅納米柱的實驗圖像和模擬結果：(a?c)嵌鋰后晶體硅納米柱不同晶體取向(?110?, ?100?, 以及?111?)的俯視SEM圖；(d?f)軸向取向晶體硅納米柱全區域(?110?, ?100?, 以及?111?)的變形形態及環向應力分布；(g?i)特定方向的環向應力分布
圖7晶體硅納米柱的塑性流動：(a?d)晶體硅納米柱中選定原子的軌跡；(e)不同嵌鋰階段變形Li3.75Si合金的原子剪切應變。
展開 《AFM》：納米晶硅納米棒的熱性能研究！
因此，了解納米尺度的熱輸運對于為特定的應用設計具有優化的熱性能的結構是至關重要的。在納米尺度上控制熱能傳遞和熱學性質在許多應用中變得至關重要，因為這往往會限制器件的性能。
來自西班牙貝拉特拉大學的學者研究了自支撐納米硅膜的納米尺度結構對熱導率的影響，以及制成懸浮式光機械納米棒時比表面積比的增加對熱導率的影響。本文還表征了不同的晶粒尺寸分布和幾何尺寸對導熱系數的相對影響，并闡明了不同的粒度分布和幾何尺寸對導熱系數的相對影響。采用微時域熱反射方法研究了自支撐納米硅膜的熱導率，發現熱導率急劇下降，降至10Wm-1K-1以下，且晶粒越小，熱導率下降幅度越大。在光機械納米結構中，由于表面散射競爭降低導熱系數，這種等比在膜中要小。最后，本文介紹了一種新的通用非接觸式表征技術，該技術可以適用于任何支持熱移光學諧振的結構。相關文章以“Thermal Properties of Nanocrystalline Silicon Nanobeams”標題發表在Advanced Functional Materials。
展開 LED | 廣島大學研發出80%發光效率的納米硅及硅量子點LED
CINNO Research產業資訊，根據廣島大學官網日前消息顯示，廣島大學成功研發出高效發光納米硅合成技術，有望成為新一代不含重金屬的發光光源。據悉，該納米硅具有世界頂級的80%發光效率，其表面結構成為高效發光的關鍵。此外，還首次成功實現了高效化所需的化學設計和物理設計的數據化 。
目前被廣泛應用的硅半導體，其卓越性能被用于智能手機和太陽能電池等領域中。但是，硅的發光效率極低，只有0.01%左右，不適用于做發光材料。
廣島大學理學部的研究生小野大成與自然科學研究支援開發中心的齋藤健一教授等人組成的研究小組，成功合成了具有世界頂級發光效率(80%)的紅色發光納米硅(硅量子點)。此外，研究小組還研發了采用這一技術的硅量子點LED。
并且，研究小組成功地對硅量子點和硅量子點LED的高效化所需的化學設計(表面化學種類和覆蓋率)和物理設計(結晶性和應力值)進行了數據化。迄今為止，還尚未有將高效發光體進行設計化的先例，因此這一研究有望成為今后高效硅量子點和硅量子點LED制造的有力典范。
展開 新型納米硅鋰電池問世！整車續航里程翻倍 公交車8分鐘充電超60%
新型納米硅鋰電池問世，容量是傳統鋰電池的5倍
80歲的中國工程院院士陳立泉是中國鋰電產業的奠基人。上世紀80年代，陳立泉和團隊在中國率先開展了固體電解質和鋰二次電池研究。1996年，他帶領科研團隊在國內率先研制出鋰離子電池，率先解決了國內鋰離子電池規模化生產的科學技術與工程問題，實現了國內鋰離子電池的產業化。
在江蘇溧陽，陳立泉院士的得意門生李泓，帶領團隊經過二十多年的技術攻關，在一項鋰電池關鍵原材料上獲得了突破，并在2017年進行了量產。
納米硅負極材料是他們自主研發的新材料，用它做成的紐扣電池，其容量是傳統石墨鋰電池的5倍。
天目先導電池材料科技有限公司總經理羅飛
硅在自然界中廣泛存在，儲量豐富，砂子的主要成分就是二氧化硅。但是要把金屬硅做成硅負極材料，就要進行特殊的加工處理。在實驗室里，完成這樣的加工處理并不是難事，但是要做成噸級的硅負極材料，這就需要大量的技術攻關和試驗。
中科院物理所從1996年就開始研究納米硅，2012年開始做硅負極材料生產線，直到2017年才做出第一條生產線，而且不停地調整修正。經歷過幾千次的失敗才批量生產出了硅負極材料。目前，溧陽這家工廠年產鋰離子電池硅負極材料可以達到2000噸。
如果說硅負極材料是未來提高鋰電池能量密度的一個很好的選擇，那么固態電池技術則是解決目前鋰電池安全性、循環壽命等問題的一種公認的有效解決方案。當前很多國家都在積極布局固態電池的研制，中國在固態鋰電池技術方面的研發也在與國際同步。
在溧陽的這家工廠里，采用了李泓教授帶領團隊研發的固態鋰電池的無人機，續航里程比同樣規格的無人機，增加了20%。奧秘都在這個黑褐色的材料上，它們就是中科院物理研究所研制的固態化正極材料。
展開 
陳立泉院士研究新型納米硅鋰電池問世,整車續航里程翻倍
據介紹，中科院物理所從1996年就開始研究納米硅，納米硅負極材料是他們自主研發的新材料，用它做成的紐扣電池，其容量是傳統石墨鋰電池的5倍。
同時，李泓教授研發的新型固態電池，采用這款電池的無人機，續航增加20%，奧秘都在這塊電池的固態化正極材料上。
2018年，這里已經完成了300Wh/kg固態動力電池系統的設計開發，在車輛上搭載后，可以使整車續航里程增加一倍。在今年5月份，這類固態電池已經開始在消費類電子產品中使用。
此外，不僅中科院物理所，很多企業也都在探索新能源電池的技術、新材料。在廣東珠海的銀隆新能源儲能系統研究院，一輛純電公交車正在進行充電。
據工程師介紹，這輛搭載鈦酸鋰電池的公交車充電三分鐘，電量就從33%充到60%以上，僅僅8分鐘，公交車就已充滿了，電量顯示99%。
而且公交車線路固定，一般一個來回的公里數不會超過100公里，利用公交車司機休息的空擋，就可以充分發揮鈦酸鋰電池充電快的優勢。而且工作溫度寬泛，在零下50℃的環境中，仍能正常充放電。
同時，該電池的循環放電壽命長，這家研究院，有一塊鈦酸鋰電池，在2014年開始就已進行充放電循環試驗，如今已過了六年時間，充放電超過3萬次，電池容量只衰減了不到10%，性能十分優異。
更值得關注的是，這款電池的熱失控保護性能更令人驚嘆，技術人員現場演示了鈦酸鋰電池跌落、針刺、切割試驗。特別是鋼針刺穿電池后，沒有發生燃燒、冒煙現象，而且電池還能正常使用。
不過，鈦酸鋰電池雖然具有這么多優點，但是能量密度不夠高，只有鋰電池的一半左右。因此，他們把電池的目標市場分，放在了公交車、專用車，以及儲能電站等對能量密度要求不高的應用場景中。
來源：快科技、央視財經
展開 塊狀納米結構鋁硅合金
圖4 不同處理條件下的應力-應變曲線以及HPST+HPT處理的拉伸試樣截面應變的局部分布
圖5在不同處理條件下的斷口形貌 (a)鑄態；(b)HPT；(c)HPST；(d) HPST+HPT
本文提出一種新的工藝路線，通過HPST+HPT能夠制備超細鋁晶粒和硅納米第二相組成的塊狀納米結構鋁硅合金，納米結構鋁硅合金表現出超高屈服強度（超高400MPa）和延展性（伸長率超過30%），本文為獲得良好機械性能的塊狀納米機構鋁硅合金提供了一種新方法，有望進一步擴大鋁硅合金的應用范圍。（文：破風）
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展開 中科院寧波材料所：納米硅基負極材料研究取得進展
【成果簡介】
相對于傳統石墨負極材料（372 mAh/g），硅負極材料具有極高的理論比容量（3580 mAh/g），是未來高能量密度動力鋰離子電池負極材料首選。但硅負極材料在充放電循環過程中存在體積變化（高達3倍以上），造成硅顆粒粉化，從而引發SEI膜反復再生庫倫效率低，電接觸變差極化增大，使實際硅負極材料循環壽命和倍率性能較差。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所動力鋰電池工程實驗室自2011年開展硅基負極材料的研究開發，已取得系列進展。2012年報道了一種三維多孔的納米硅/石墨烯復合負極材料。近日，又報道了一種新型二維納米硅/二氧化硅復合負極材料（2D nano-Si/SiO2）。該工作利用層狀結構CaSi2的拓撲轉變，在酸性溶液中化學剝離Ca原子，留下單原子層褶皺狀硅烯，由于Si原子只存在sp3雜化，硅烯極不穩定，在水溶液中氧化得到亞穩態二維硅氧烯，二維硅氧烯經過合適的熱處理條件脫水歧化得到二維納米硅/二氧化硅復合負極材料（2D nano-Si/SiO2），其中納米硅均勻分散于無定型硅氧化物。二維結構可有效減少鋰離子遷移路程，納米硅和硅氧化物可有效降低了體積膨脹率，因此采用該方法制備的2D nano-Si/SiO2@C表現出優異的循環穩定性和倍率性能。該研究工作以“Two-dimensional silicon suboxides nanostructures with Si nanodomains confined in amorphous SiO2 derived from siloxene as high performance anode for Li-ion batteries”為題發表在Nano Energy上。
【圖文導讀】
圖1 示意圖及性能表征
（a）硅氧烯剝離過程示意圖。
（b）硅氧烯分子結構示意圖。
展開 硅材料在鋰電池中的應用
硅碳負極材料的最低比容量一般都超過石墨負極材料的理論比容量，貝特瑞的S1000型號硅碳負極材料的比容量更是高達1050mAh/g，盡管離硅的理論比容量4200 mAh/g仍有較大差距，但已經是人造石墨負極材料比容量的3倍，性能有大幅度地提高。此外，硅碳負極材料的首次效率能達到90%以上，滿足應用的要求，其他各項指標也不亞于石墨負極材料。
硅負極的優勢在哪里
石墨的理論能量密度是372 mAh/g，而硅負極的理論能量密度超其10倍，高達4200mAh/g，而且還具有環境友好、儲量豐富等特點， 通過在石墨材料加入硅來提升電池能量密度已是業界公認的方向之一，日韓等大電芯廠商都在做硅碳負極電池的商業化，包括比亞迪、力神、比克、萬向等國內電池廠商也在跟蹤，但是至目前為止還沒有看到量產的產品。特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統石墨負極材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mAh/g以上，特斯拉采用的松下18650電池此次在傳統石墨負極材料中加入了10%的硅，其能量密度至少在550mAh/g以上。
硅材料在鋰電池的應用
硅材料在鋰離子電池中的應用，主要涉及兩方面，一是在負極材料中加入納米硅，形成硅碳負極，二是在電解液中加入有機硅化合物，改善電解液的性質。
(一)納米硅：鋰電負極材料的重要成員
納米硅，指的是直徑小于5納米的晶體硅顆粒，是一種重要的非金屬無定形材料，常由溶膠凝膠法等方法制備而成。納米硅粉具有純度高、粒徑小、分布均勻、比表面積大、高表面活性、松裝密度低等特點，且無毒、無味。
展開 《ACS AEM》：一種無害簡便方法實現硅負極材料大規模制備！
，以水溶性聚合物羧甲基殼聚糖和納米硅為前驅體，采用一步噴霧干燥法制備了多尺寸三維微球硅負極材料。
新型電動汽車電池技術問世！ 可將電池能量密度提高2倍成本降一半
對于電動汽車行業而言，打造含有更多硅的電池一直是一個挑戰，而SINANODE無縫集成至現有的生產工藝中，讓硅納米線與商用石墨粉末融合，將電池陽極的能量密度提高了兩倍，但是將每kWh的成本降低了一半。能量密度更高可以讓電池的續航更長，而納米線能夠縮短充電時間，讓OEM設計和生產出滿足了人們對搭載更好電池的電動汽車的需求。
OneD Battery Sciences的logo（圖片來源：OneD Battery Sciences）
在過去三年中，美國、歐洲和亞洲的石墨供應商、電池制造商和電動汽車制造商已經對SINANODE進行了測試，將該技術應用于電動汽車電池陽極中的電動汽車級石墨中，發現了以下好處：
續航和電池壽命都得到增長——SINANODE成功將硅納米線融合至多個供應商的商用石墨粉末中，將陽極的比容量提高了2倍（容量大于1000 mAh/g，單位重量所能存儲的能量）。然后，該款SINANODE陽極材料與石墨相混合，達到了較高的初始庫倫效率（大于92%，放電容量與充電容量之百分比），在1000次以上的充放電循環中的陽極比容量高于目前所有的先進量產電池。
成本降低——SINANODE在多個供應商提供的商用生產化學氣相沉積（CVD）設備的基礎上研發而來，只是用了大量的硅烷和氮氣，成本極其具有吸引力。與目前最具競爭力的電動汽車電池陽極相比，成本降低了近50%（以每kWh的成本計算），從而可以減少將SINANODE擴展應用于更多電動汽車所需的投資成本和時間。
展開 OptiFDTD應用：用于光纖入波導耦合的硅納米錐仿真
[1]
耦合器由高折射率比材料組成，是基于具有納米尺寸尖端的短錐形。[2]
錐形耦合器實際上是光纖和亞微米波導之間的緊湊模式轉換器。[2]
錐形耦合器可以是線性[1]或拋物線性[2]過渡。
選擇Silicon-on-insulator（SOI）技術作為納米錐和波導的平臺，因為它提供高折射率比，包括二氧化硅層作為光學緩沖器，并允許與集成電子電路兼容。[2]
[1]Jaime Cardenas, et al., “High Coupling Efficiency Etched Facet Tapers in Silicon Waveguides,” IEEE Phot. Tech. Lett. VOL. 26, NO. 23, 2380-2382 (2014)
[2]Vilson R. Almeida, et al., "Nanotaper for compact mode conversion," Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003);
3D FDTD仿真
要模擬的關鍵部件是來自參考文獻[1]的線性錐形硅波導（160 nm至500 nm寬度變化超過100 um長度，250 nm高度），它埋在二氧化硅波導中（注意：使用的尺寸減小了（1.5 umx1.5 umx105 um），以便達到更快的模擬時間）
? 為了精確模擬線性錐形硅波導，錐形的網格尺寸應該要設置密度大一些，因此在這種情況下使用不均勻的網格。
?光源在時域中設置為CW（ = 1.55 um），在空間域上設置為高斯橫向分布，并且位于二氧化硅波導的硅紙尖端。
展開 
OptiFDTD應用：用于光纖入波導耦合的硅納米錐仿真
[1]
耦合器由高折射率比材料組成，是基于具有納米尺寸尖端的短錐形。[2]
錐形耦合器實際上是光纖和亞微米波導之間的緊湊模式轉換器。[2]
錐形耦合器可以是線性[1]或拋物線性[2]過渡。
選擇Silicon-on-insulator（SOI）技術作為納米錐和波導的平臺，因為它提供高折射率比，包括二氧化硅層作為光學緩沖器，并允許與集成電子電路兼容。[2]
[1]Jaime Cardenas, et al., “High Coupling Efficiency Etched Facet Tapers in Silicon Waveguides,” IEEE Phot. Tech. Lett. VOL. 26, NO. 23, 2380-2382 (2014)
[2]Vilson R. Almeida, et al., "Nanotaper for compact mode conversion," Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003);
3D FDTD仿真
要模擬的關鍵部件是來自參考文獻[1]的線性錐形硅波導（160 nm至500 nm寬度變化超過100 um長度，250 nm高度），它埋在二氧化硅波導中（注意：使用的尺寸減小了（1.5 umx1.5 umx105 um），以便達到更快的模擬時間）
□ 了精確模擬線性錐形硅波導，錐形的網格尺寸應該要設置密度大一些，因此在這種情況下使用不均勻的網格。
□ 光源在時域中設置為CW（ λ= 1.55 um），在空間域上設置為高斯橫向分布，并且位于二氧化硅波導的硅紙尖端。
注意：模擬時間應足夠長，以確保穩態結果
仿真結果
頂視圖展示了錐形硅波導的有效耦合。
展開 OptiFDTD應用：用于光纖入波導耦合的硅納米錐仿真
[1]
耦合器由高折射率比材料組成，是基于具有納米尺寸尖端的短錐形。[2]
錐形耦合器實際上是光纖和亞微米波導之間的緊湊模式轉換器。[2]
錐形耦合器可以是線性[1]或拋物線性[2]過渡。
選擇Silicon-on-insulator（SOI）技術作為納米錐和波導的平臺，因為它提供高折射率比，包括二氧化硅層作為光學緩沖器，并允許與集成電子電路兼容。[2]
[1] Jaime Cardenas, et al., “High Coupling Efficiency Etched Facet Tapers in Silicon Waveguides,” IEEE Phot. Tech. Lett. VOL. 26, NO. 23, 2380-2382 (2014)
[2] Vilson R. Almeida, et al., "Nanotaper for compact mode conversion," Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003);
3D FDTD仿真
要模擬的關鍵部件是來自參考文獻[1]的線性錐形硅波導（160 nm至500 nm寬度變化超過100 um長度，250 nm高度），它埋在二氧化硅波導中（注意：使用的尺寸減小了（1.5 umx1.5 umx105 um），以便達到更快的模擬時間）
? 為了精確模擬線性錐形硅波導，錐形的網格尺寸應該要設置密度大一些，因此在這種情況下使用不均勻的網格。
?光源在時域中設置為CW（ = 1.55 um），在空間域上設置為高斯橫向分布，并且位于二氧化硅波導的硅紙尖端。
展開 OptiFDTD應用：用于光纖入波導耦合的硅納米錐仿真
[1]
耦合器由高折射率比材料組成，是基于具有納米尺寸尖端的短錐形。[2]
錐形耦合器實際上是光纖和亞微米波導之間的緊湊模式轉換器。[2]
錐形耦合器可以是線性[1]或拋物線性[2]過渡。
選擇Silicon-on-insulator（SOI）技術作為納米錐和波導的平臺，因為它提供高折射率比，包括二氧化硅層作為光學緩沖器，并允許與集成電子電路兼容。[2]
[1] Jaime Cardenas, et al., “High Coupling Efficiency Etched Facet Tapers in Silicon Waveguides,” IEEE Phot. Tech. Lett. VOL. 26, NO. 23, 2380-2382 (2014)
[2] Vilson R. Almeida, et al., "Nanotaper for compact mode conversion," Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003);
3D FDTD仿真
要模擬的關鍵部件是來自參考文獻[1]的線性錐形硅波導（160 nm至500 nm寬度變化超過100 um長度，250 nm高度），它埋在二氧化硅波導中（注意：使用的尺寸減小了（1.5 umx1.5 umx105 um），以便達到更快的模擬時間）
? 為了精確模擬線性錐形硅波導，錐形的網格尺寸應該要設置密度大一些，因此在這種情況下使用不均勻的網格。
?光源在時域中設置為CW（ = 1.55 um），在空間域上設置為高斯橫向分布，并且位于二氧化硅波導的硅紙尖端。
展開 OptiFDTD應用：用于光纖入波導耦合的硅納米錐仿真
[1]
耦合器由高折射率比材料組成，是基于具有納米尺寸尖端的短錐形。[2]
錐形耦合器實際上是光纖和亞微米波導之間的緊湊模式轉換器。[2]
錐形耦合器可以是線性[1]或拋物線性[2]過渡。
選擇Silicon-on-insulator（SOI）技術作為納米錐和波導的平臺，因為它提供高折射率比，包括二氧化硅層作為光學緩沖器，并允許與集成電子電路兼容。[2]
[1] Jaime Cardenas, et al., “High Coupling Efficiency Etched Facet Tapers in Silicon Waveguides,” IEEE Phot. Tech. Lett. VOL. 26, NO. 23, 2380-2382 (2014)
[2] Vilson R. Almeida, et al., "Nanotaper for compact mode conversion," Opt. Lett. 28, 1302-1304 (2003);
3D FDTD仿真
要模擬的關鍵部件是來自參考文獻[1]的線性錐形硅波導（160 nm至500 nm寬度變化超過100 um長度，250 nm高度），它埋在二氧化硅波導中（注意：使用的尺寸減小了（1.5 umx1.5 umx105 um），以便達到更快的模擬時間）
? 為了精確模擬線性錐形硅波導，錐形的網格尺寸應該要設置密度大一些，因此在這種情況下使用不均勻的網格。
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