硅纳米线的机械性能，不同长度的不同用途，具有很出色的功能

由于这种异常的机械性能，纳米级结构已被考虑用于开发机械器件，例如纳米级谐振器。例如，各种纳米线，CNT和/或石墨烯已被用作纳米级谐振器件，由于具有出色的弹性特性，可以承受100MHz至1GHz范围内的超高谐振频率。此外，纳米级共振器件即使在原子分辨率下也能超灵敏地检测分子。这意味着纳米结构的力学表征是开发基于纳米结构（如纳米线和/或石墨烯）的机电器件的先验条件。

硅纳米线因其优异的机电性能而被认为是流行的纳米级材料之一。最近的一项研究报道了硅纳米线具有压阻性能，表明其在NEMS应用中的潜力。此外，Roukes和同事已经利用压阻特性来驱动硅纳米线作为纳米机械谐振器。这些例子意味着硅纳米线的机械表征对于硅纳米线作为传感器和/或执行器在机电器件中的进一步应用非常重要。

纳米线的机械性能已通过使用原子力显微镜（AFM）实验得到了很好的表征。具体来说，Boland及其同事已经考虑了使用AFM实验的悬浮纳米线的弯曲实验。如果通过AFM估计纳米线相对于施加的力的横向挠度，则使用弹性理论（欧拉-伯努利梁理论）来提取纳米线的弹性模量（杨氏模量）和/或屈服强度。

最近的一项研究表明，双钳位纳米线的简单支持边界条件可能不适合提取基于欧拉-伯努利梁模型的弹性模量。换句话说，AFM弯曲实验中纳米线的弹性模量对边界条件非常敏感。最近的研究建议使用原位透射电子显微镜（TEM）和/或微机电系统（MEMS）器件对纳米线进行拉伸测试。

尽管MEMS器件和/或原位TEM可以直接测量纳米线的应力-应变关系，但在原位TEM和/或MEMS器件进行拉伸测试期间，TEM或MEMS器件中使用的光（用于扩展纳米线的成像）可能会在估计纳米线的弹性模量时引起伪影。

这归因于纳米结构的光弹性特性，使得波长与纳米结构的能带隙相当的光可以诱导纳米结构的机械应变。此外，由于纳米线的光弹性效应，使用共振法（基于原位TEM）提取纳米线的弹性模量可能是不正确的。这意味着基于AFM弯曲测试，MEMS或原位TEM拉伸测试和/或共振方法的力学表征可能不足以深入了解纳米线的弹性特性。

在这项工作中，我们采用了硅纳米线的AFM压痕测试来表征硅纳米线。本文基于AFM压痕实验，从经典弹性理论（即赫兹理论）中提取了硅纳米线的弹性模量。结果表明，压痕对硅纳米线的机械响应与赫兹理论的理论期望非常吻合。

此外，为了了解硅纳米线对其弹性性能的有限尺寸影响，我们使用AFM压痕测量了~80至~600nm范围内各种直径的硅纳米线的弹性模量。研究表明，硅纳米线的弹性模量与纳米线的直径无关（当直径大于~80nm时），直径在~80至~600nm范围内的纳米线的弹性模量接近块状硅的弹性模量。这表明只要直径大于100nm，尺寸效应对硅纳米线的机械性能没有任何影响。

对于硅纳米线的化学生长，在5×111的基压下，在氢封端的n-Si（1）衬底上热蒸发10nm厚的Ni膜−6托。在丙酮中进行超声波清洗后，样品（尺寸为1×1厘米2）放入石英管反应器中，其中H2气体（Ar10%）在30°C动超过400分钟，以除去留在管内的氧分子。在爬坡过程中，超薄Ni薄膜与Si合金化，形成纳米级NiS。x结块。这些纳米级合金可以作为蒸汽-液体-固体纳米线生长的金属催化剂。

垂直生长的硅纳米线可以在石英管炉中使用SiCl通过化学气相分解获得4作为大气压下的源气体。在这里，氯化硅4与SiH相比，允许纳米线在Si衬底上具有更好的外延生长4，归因于SiCl中HCl的副产物4诱导任何氧化物的蚀刻效应以及非催化侧壁沉积。这里，SiCl的分解温度4与镍硅共晶温度（966°C）兼容。

通过引入SiCl对硅纳米线进行原位轴向生长4（10sccm）和H2（200sccm）在950–1，000°C下进行催化剂液化。显示了直径为~200nm的化学生长硅纳米线的TEM图像。能量色散光谱仪（EDS）分析表明，我们的纳米线具有良好的化学生长。此外，EDS分析提供纳米线的尖端由Ni和Si组成，表明催化Ni是固化的，因此NiSi2形成于硅纳米线的尖端。

对于使用AFM纳米压痕对纳米线进行机械表征，我们使用了商用AFM（Innova，圣巴巴拉，加利福尼亚州，美国）和纳米驱动器控制器（Veeco，圣巴巴拉，加利福尼亚州，美国）和闭环扫描仪。对于成像和压痕，我们使用了Al涂层硅悬臂（TESPA，Veeco，圣巴巴拉，加利福尼亚州，美国），其标称尖端半径为~10nm。AFM悬臂的力常数根据Sader的方法进行校准，使得弹簧常数直接从这种悬臂的测量共振频率计算出来。

在本研究中，我们使用了硅悬臂，其校准力常数为34.5N/m，另有说明。硅纳米线的AFM图像是通过AFM轻敲模式获得的，扫描速率为0.6Hz，扫描尺寸在20μm×20μm至500nm×500nm范围内。为了使用AFM可靠地压痕纳米线，我们必须确保样品在压痕过程中不会滚动。对于如此可靠的压痕，我们在Innova中使用了“振荡关闭”模式，以关闭悬臂在轻击状态下的振荡。此外，AFM悬臂的精确探头定位归功于闭环系统。

由于“振荡关闭”模式和精确的探头定位，AFM悬臂的可靠操作使我们能够获得硅纳米线的生动图像以及负载-位移曲线中记录的强大的压痕响应。在这里，我们施加了机械力，直到800nN，加载速率为35nm/s，以确保纳米线的压痕响应存在于经典赫兹理论可以描述的线弹性范围内。

从硅纳米线的AFM纳米压痕获得的典型力-压电位移曲线（F-z曲线）。需要注意的是，F-z曲线与AFM悬臂与纳米线接触的压痕位置无关。具体来说，我们已经确认在五个不同的压痕位置压痕获得的F-z曲线彼此相同。这表明纳米线通过纳米压痕的机械响应不依赖于纳米线上的压痕位置。应该认识到，F-z曲线并不直接提供机械力和压痕位移之间的关系，因为压电位移包括AFM悬臂弯曲挠度和纳米线的压痕位移。

其中k原子力显微镜和k西北分别表示AFM悬臂和硅纳米线（用于压痕）的力常数。这里，AFM的力常数估计为k原子力显微镜=34。5N/m根据Sader的方法计算得出。图4描述了通过AFM纳米压痕获得的直径为525nm的硅纳米线的力常数。结果表明，纳米线的力常数取决于压痕过程中施加的力。

这里，R是AFM尖端半径，E是定义为E=[（1−ν**1)/E1+(1−ν2)/E2]−1，其中E我和ν我分别表示AFM尖端（i=1）或纳米线（i=2）的杨氏模量和泊松比。

这表明纳米线在压痕过程中的力常数与施加的力之间的关系可以通过缩放定律（例如k西北=αF1/3.应该注意的是，无论接触几何形状如何（系数α不同），纳米压痕用纳米线的力常数与施加的力之间的关系的缩放定律都是有效的，实验结果表明纳米线的刚度与力之间的关系由方程很好地决定了。这意味着只要施加的力在0F1μN的范围内，我们的纳米压痕实验就存在于弹性状态中。

我们已经考虑了~80至~600nm范围内各种直径的硅纳米线的机械性能，以了解有限尺寸效应对机械性能的任何作用。根据方程中描述的赫兹理论，我们从曲线中提取了硅纳米线的杨氏模量，这些曲线显示了纳米线的力常数与施加的力之间的关系。研究发现，如果纳米线的直径大于~5nm，则纳米线的直径对纳米线的力学性能没有任何影响。这表明，对于直径在~100至~80nm范围内的纳米线，纳米线的杨氏模量在（600）方向上接近块状硅的模量。他们表明非晶硅纳米线的弹性模量与其直径无关（在~24至~80nm的范围内）。

此外，Boland及其同事最近的一项研究提供有限尺寸效应可能对纳米线的机械性能（例如弹性模量）没有显著作用。这与我们的发现一致，即我们的纳米线的弹性模量不受其尺寸的影响，并且纳米线的杨氏模量接近块状材料的模量。这意味着块体材料的弹性模量可用于使用纳米线设计纳米机械器件。

但是，必须提醒的是，由于我们的纳米线直径为~16nm，因此不会出现有限尺寸效应。在Li及其同事最近的一项研究中，由于表面效应（例如，表面应力效应）引起的有限尺寸效应对其直径为~25nm（≪30nm）的纳米线（例如ZnO纳米线）的弹性模量起着至关重要的作用。

具体来说，对于直径小于~100nm的表面效应，随着ZnO纳米线直径的减小，表面应力等表面效应会降低ZnO纳米线的弹性模量。在我们的例子中，直径为~25nm的硅纳米线的弹性模量小于块状硅的弹性模量。这可能意味着硅纳米线的弹性模量可能会随着其直径的减小而减小。应该认识到，我们的硅纳米线的尺寸远大于表面效应对纳米线的弹性性能起重要作用的临界尺寸。表面效应对直径为~26nm的纳米线弹性性能的作用将作为我们未来的研究。

总之，我们已经证明了纳米线的AFM纳米压痕用于提取其弹性模量。具体来说，我们采用了经典的弹性理论（赫兹理论），它决定了硅纳米线对AFM压痕的弹性响应。结果表明，直径为~80nm至~600nm的硅纳米线的杨氏模量与其直径无关，表明表面效应引起的有限尺寸效应对纳米线的弹性性能没有影响.此外，直径在~100nm范围内的纳米线的杨氏模量接近块状硅的杨氏模量。因此，在设计直径为~100nm的硅纳米线的纳米机械器件时，可以假设块状硅的弹性模量。