近日，同济大学物理科学与工程学院包志豪教授、高国华副教授联合复旦大学、香港理工大学和中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究人员，成功开发了一种改进的铝还原法，可在较低温度（～250 oC）下直接利用丰富的二氧化硅资源（沙子、硅藻土、稻壳等），实现硅纳米线的可持续制备。这一突破性研究成果以“Solid-liquid-solid growth of doped silicon nanowires for high-performance lithium-ion battery anode”为题发表于《纳米能源》（Nano Energy）。

硅纳米线因其在微电子装置、传感器、光伏器件及锂离子电池中的广阔应用前景而备受瞩目。然而，目前的硅纳米线制备方法仍存在诸多局限性。例如，运用“自下而上”（Bottom-up）策略的化学气相沉积（CVD）法生长硅纳米线，依赖于气-液-固（VLS）生长机制，通常需使用昂贵的金属催化剂（如金）和高温条件，以及空气敏感或易燃的前驱体。另一种基于“自上而下”（Top-down)策略的金属辅助刻蚀法则需要大量有毒的氢氟酸，并会造成高达80%的硅材料浪费。以上方法不适合硅纳米线的可持续性制备。此外，液态前驱体在高压或超临界条件下的生长方法虽然可以避免部分缺点，但产率极低，难以满足实际需求。

针对这些挑战，团队创新性地改进了铝还原法，在250°C的熔融盐体系中，于常压条件下成功还原SiO2和SnO2复合前驱体，制备出了高结晶度的锡掺杂硅纳米线，锡掺杂浓度达~3.0 at%，远远高于平衡浓度（~0.01 at%）。

研究基于人工智能结合密度泛函理论（DFT）和分子动力学计算，实现了锡掺杂硅纳米线生长过程的模拟，揭示了锡掺杂硅纳米线的生长机制。在生长过程中氧化锡先被还原成锡液滴，与从二氧化硅（固态）还原出的硅形成液态合金（液态），随着反应的进行，硅在合金液滴中达到过饱和，硅将析出并沿轴向生长，形成纳米线。与之相对比，没有氧化锡参与的二氧化硅还原则形成硅纳米颗粒。因此，区别于经典的硅纳米线VLS生长机制，研究人员提出了一种固—液—固（SLS）纳米线生长新机制。另外硅纳米线中的非平衡掺杂浓度与生长温度和降温速率相关，可进一步通过生长条件来调控。同时，掺杂元素也可拓展到其他低温金属（如Ga，Bi）等，这些结果为研究非平衡掺杂硅材料的物理和化学特性提供了材料基础。该方法还能够拓展到其他IV族元素纳米线的制备，如锗纳米线等。这些纳米线材料也可广泛应用于微电子器件、传感器、光伏器件及其他先进能源存储技术，推动相关领域的发展。

同济大学包志豪教授、高国华副教授、复旦大学郑长林教授、香港理工大学朱叶副教授为论文共同通讯作者，李嘉雯博士生、王同德博士生、王亚杰博士生、徐志航博士生为论文共同第一作者。该研究得到了集成电路材料国家重点实验室开放研究基金和国家自然科学基金的资助。

论文连接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285524012072