硅基三维纳米螺旋（3D nanohelices）结构是开发新一代手性光学、柔性机电和生物传感应用的基础共性构架单元，但却难以通过传统的光刻工艺批量制备。虽然传统自组装生长方法可制备出各种随机取向的纳米螺旋，其尺寸调控精确性、空间排列一致性以及形貌定制可控性都远达不到器件集成的需求。为此，南京大学电子学院余林蔚、徐骏教授课题组基于自主创新的平面IPSLS纳米线生长技术，将平面纳米线的精准引导生长成功拓展到三维空间调控和集成。通过金属液滴诱导，在覆盖非晶硅前驱体的"竹状"立柱表面，连续盘旋生长（spiral growth）出直径、间距和纵宽比精确可控的纳米线螺旋"盘龙柱"结构。其中柱状支撑结构可以通过前期氧化处理而被选择性刻蚀，从而释放出排列规则的纳米线三维纳米弹簧阵列，并成功应用于展示各种超可拉伸连接、三维复合结构支撑和电驱动NEMS谐振器件等新型应用。值得指出的是，在盘旋上升或下降的纳米线生长过程中，柱状表面的平行引导沟道（sidewall grooves）发挥了至关重要的作用：正是在其引导下，金属催化液滴首先进行规则地水平盘旋生长，在绕柱一周吸收完本层非晶前驱体后，自动换行生长（line-feeding growth）进入下一层引导沟道，从而保证能够一次性生长出连续的纳米线螺旋结构。

图1：在"竹状"立柱表面上的晶硅纳米线连续自换行盘旋生长及其NEMS谐振器件结构。



图2：金属液滴与柱面引导沟道尺寸匹配条件，及优化后多层连续生长"盘龙柱"结构的稳定性验证。



图3：中心支撑完全或部分刻蚀释放后的纳米螺旋弹簧阵列结构。



图4：基于站立纳米线螺旋结构实现的立体"弹簧-球负载"复合结构，及其可拉伸特性测试；单个纳米螺旋三维结构在电学驱动下实现的三种不同振荡本征模式，及其对应的形变模拟示意图。
此工作近期以封面报道发表于《Nano Letters》上，Cylindrical Line-Feeding Growth of Free-Standing Silicon Nanohelices as Elastic Springs and Resonators，Nano Letters 20 (7), 5072–5080 (2020)。其中，博士生马海光同学是第一作者，余林蔚教授为通讯作者。相关工作得到了南京大学徐骏教授、施毅教授、邓昱教授和王军转副教授的大力支持。该项研究工作受到青年****，国家自然科学基金，江苏省****基金和双创人才计划资助。

论文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c01265