Summary
Bu çalışmada, titanyum nitrat/silikon substratlar üzerinde altın dendritik nano sentezleme için uygulanabilir bir prosedür sunar. Bir sentez reaksiyonu 15 dakika içinde altın dendritik nanoforests kalınlığı doğrusal olarak artar.
Abstract
Bu çalışmada, yüksek güç impuls magnetron püskürtme sistemi, silikon (si) Wafers üzerinde düz ve sağlam bir titanyum nitrür (TiN) filmi kat etmek için kullanılır ve altın hızlı ve kolay birikimi için bir fluorid destekli galvanik değiştirme reaksiyonu (FAGRR) istihdam edilir Tin/si substratlar üzerinde dendritik nanoforests (au dnfs). Tarama elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri ve teneke/si ve au DNFs/TiN/si numunelerin enerji Dispersif X-ışını spektroskopisi desenleri sentezleme sürecinin doğru kontrol edildiğini doğrular. Bu çalışmada reaksiyon koşullarında, au DNFs kalınlığı, reaksiyon 15 dk içinde 5,10 ± 0,20 μm doğrusal olarak artar. Bu nedenle, istihdam sentezi prosedürü au DNFs/TiN/si kompozitler hazırlamak için basit ve hızlı bir yaklaşımdır.
Introduction
Altın nanopartiküller karakteristik optik özelliklere sahiptir ve nano maddeler1,2,3,4boyutuna ve şekline bağlı olarak lokalize yüzey plasmon rezonansları (lsprs) vardır. Dahası, altın nanopartiküller plasmonik Fotokatalitik reaksiyonları önemli ölçüde artırabilir5. Altın nanopartikülleri kullanarak yığılmış dendritic nanoforests dikkat çekici spesifik yüzey alanları ve sağlam LSPR geliştirme6,7,8,9 nedeniyle önemli önem aldık ,10,11,12,13.
TiN son derece sert bir seramik malzemedir ve dikkat çekici termal, kimyasal ve mekanik stabiliteye sahiptir. Tin farklı optik özelliklere sahiptir ve görünür-to-yakın-kızılötesi ışık ile Plazmonik uygulamalar için kullanılabilir14,15. Araştırma, Tin 'in, au nanoyapıların16' ya benzer elektromanyetik alan geliştirmeleri üretebilir olduğunu göstermiştir. Uygulama için kalay substrat üzerinde bakır17 veya gümüş18,19,20 birikimi gösterildi. Ancak uygulamalar için au/TiN kompozit malzemelerinde birkaç çalışma yapılmıştır. Shiao ve ark. Geçenlerde fotoelektrokimyasal hücreler için au DNFs/TiN kompozitlerin potansiyel uygulamaları göstermiştir21 ve kimyasal bozulma22.
Au, bir FAGRR23kullanarak bir kalay substrat üzerinde sentezlenmiş olabilir. TiN 'de au DNFs 'in biriktirme durumu uygulamaların performansında çok önemlidir. Bu çalışmada bir kalay kaplı si substrat üzerinde au DNFs büyümesini inceler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. numune hazırlama
-
Yüksek güç impuls magnetron püskürtme sistemi kullanarak kalay substrat hazırlama
- 2 cm x 2 cm örneklerine 4 inç n tipi silikon gofret keser.
- Numuneleri aseton, isopropanol ve deiyonize su kullanarak yıkayın.
- 5 dakika boyunca N2 sprey kullanarak kurutun.
- Yıkanmış si örneklerini örnek bir tutucuya yerleştirin ve örnek tutucuyu yüksek güç impuls magnetron püskürtme (hipims) odasına yerleştirin.
- Bir püskürtme katot 4 inç çapı ile bir titanyum hedef yerleştirin.
- 8 x 10-6 Torr 'den daha az olan oda basıncını mekanik pompa ve ağopat kullanarak azaltın.
- Bir silikon gofret bir ti katmanı yatırmak ve ti katmanına bir teneke tabaka yatırma HiPIMS kullanın. HiPIMS 'de ti ve TiN katmanlarının biriktirme parametreleri için Tablo 1 ' e bakın.
-
Au DNF kalay/si substratlar üzerinde hazırlık
- 10 mM chloroauric asit (HAuCl4) ve 5 cm x 5 cm x 5 cm ölçüm Teflon konteyner içine% 11,4 NH4F ve 2,3% HF oluşan tamponlu oksit etchant çözeltisi oluşan bir reaktif çözüm 24 ml yerleştirin.
- Substratlar 3 dakika boyunca karışım çözeltisi içine daldırma.
- Numuneyi çıkarın ve deiyonize su kullanarak yıkayın.
- N2 spreyini kullanarak numuneyi kurutun ve ardından au Dnfs/Tin/si örnekleri elde etmek Için 120 °c ' de 5 dakika boyunca inküye yapın.
- Au DNF hazırlama 10X tekrarlayın.
2. örnek muayene
-
Tarama elektron mikroskopi analizleri
- Bir tungsten kalem ile 0,4 cm x 0,8 cm içine örnek kes ve N2 sprey kullanarak temizleyin.
- Coat 50 s için bir iyon sputter kaplayıcı tarafından örnek üzerinde ince bir PT film.
- Hazırlanmış numuneyi bir tarama elektron mikroskobu (SEM) aletine yerleştirin.
- Tarama elektron mikroskobu ile SEM görüntüleri elde ve eleman analizi21,22davranış.
-
X-ışını kırınım analizleri
- Numuneyi bir X-ışını kırması (XRD) aletine yerleştirin.
- XRD desenleri21,22elde.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 1 , au Dnfs/Tin/si numune preparatlarının görüntülerini gösterir. Silikon gofret beyazdı (Şekil 1a). Kalay/si altın sarı ve homojen bir yüzey vardı (Şekil 1B), silikon gofret üzerinde üniforma kalay kaplama göstermiştir. Au DNFs/TiN/si yüzey üzerinde sarımsı kahverengi ve daha az homojen (Şekil 1C) nedeniyle au dnfs rasgele dağılımı.
Şekil 2 , Tin/si substratlar üzerinde yatırılan au dnfs 'nin plan ve çapraz-kesit SEM görüntülerini sunar. Kalay tabakasının düzgün bir yüzeyi (Şekil 2a) vardı ve kalay tabakasının kalınlığı yaklaşık 300 Nm Idi (Şekil 2B). 1 dk, küçük au çekirdekleri her yerde gözlendi (Şekil 2C), bazıları büyük bir çekirdek bir deniz koparman benzer içine geliştirilen (Şekil 2D). Tek bir ağaç benzeri yapı 3 dakikada (Şekil 2e, f) kuruldu ve bu dallanma 5 dakikada (Şekil 2G, h) çakışmaya gözlenmiştir. 10 dakika içinde, au DNFs tüm kalay tabakasını oluşturdu ve kaplanmıştır (Şekil 2i, j). 15 dk, yoğun au DNFs kuruldu (Şekil 2k), ve dnfs kalınlığı 5 μm ulaştı (Şekil 2L).
Şekil 3 , kalay/si ve au Dnfs/Tin/si 'nin enerji Dispersif X-ışını spektroskopisi (EDS) analiz sonuçlarını gösterir. Belirtilen elemanlar sentez prosedürü ile anlaştılar. Ayrıca, belirgin doruklarına TiN kaplama ve au DNFs sentezini kirletilmiş olmadığını doğrulayabilir.
Şekil 4 , Tin/si substrat üzerindeki au dnfs KALıNLıĞıNıN fagrr süresi ile değişimini gösterir. Au DNFs kalınlığı sentezleme süresi ile doğrusal olarak artmıştır. Kalınlığı ve sentezi zaman, 1 ila 15 dakika arasında değişen Doğrusal denklem aşağıdaki gibi ifade edildi: y = 0,296t + 0,649.
Şekil 5 farklı biriktirme süreleri ile elde edilen NUMUNELERIN XRD desenlerini gösterir. Au zirvelerinin güçlü (111) yönü tespit edildi. Keskin kübik au desenleri, AU (111), AU (200), AU (220), ve au (311), JCPDS 04-0784 ile kabul etti. Anma süresi ile au zirvelerinde artış TiN/si substrat üzerinde au DNFs büyümesi için karşılık gelmektedir. Öte yandan, Tin doruklarına, yani kalay (111), TiN (200), TiN (220), ve TiN (311), 1 dk birikmesi, JCPDS 38-1420 ile kabul açıktı. 1 dakika sonra, Tin/si substrat giderek au DNFs tarafından kaplanmıştır çünkü tın sinyalleri giderek kayboldu. Bu XRD sonuçları önceki raporlara21,22' ye karşılık gelmektedir.
| Substrat | DC güç W |
Dürtü süresi (μs) | AR (SCCM) akış hızı | N2 (SCCM) akış hızı |
| Ti katmanı | 250 | 90 | 20 | - |
| Teneke tabaka | 300 | 1000 | 30 | 1,5 |
Tablo 1: ti ve Tin hazırlama koşulları. Ti ve TiN katmanları silikon gofret üzerinde birikimi için HiPIMS parametreleri.
Şekil 1: örnek görünüm. 2 cm x 2 cm (a) Silikon gofret, (b) kalay/si ve (c) au dnfs/Tin/si örneklerin hazırlanması. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 2: numunelerin SEM resimleri. Em ek yükü ve au DNFs kesit görünümleri (a ve b) 0 dakika içinde kalay/si substratlar üzerinde yatırılır; (c ve d) 1 dak; (e ve f) 3 dk; (g ve h) 5 dk; (ı ve j) 10 dk; (k ve l) 15 dk. Bu rakam daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın .
Şekil 3: Elemental analiz. EDS spektrum (a) kalay/si ve (b) au Dnfs/Tin/si. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 4: au DNF kalınlığı. Çeşitli sentez süreleri (n = 10) Tin/si substrat üzerinde au dnfs kalınlığı Bu rakam daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: numunelerin XRD desenleri. Farklı sentez zamanlarda TiN/si substrat üzerinde au DNFs XRD desenleri. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu çalışmada, birden fazla şube boyutuna sahip au DNFs, FAGRR kullanılarak TiN/si yüzeyinde süslenmiştir. Au DNFs 'nin birikimi doğrudan renkli önemli bir değişiklik ile tespit edilebilir. IR/si üzerinde au DNFs kalınlığı 15 dakika içinde 5,10 ± 0,20 μm ' ye yükseldi ve bu kalınlıkta artış aşağıdaki doğrusal denklem kullanılarak ifade edilebilir: y = 0,296t + 0,649, saat 1 ila 15 dakika arasında farklılık gösteren.
FAGRR 'de metal biriktirme,23. çözümün pH 'sı ve bileşimi tarafından etkilenir. Substrat yüzey kusurlarının yoğunluğu ile biriktirme oranı artar. Yedek reaksiyon süresi arttıkça kalay tabakasının kalınlığı azalır. Au DNFs kalınlığı yeterince kalın ise, TiN/si substratlar au DNFs kaldırmak kolaydır.
Galvanik deplasman reaksiyonu daha yüksek redoks potansiyeline sahip bir metal için daha uygundur23. Bu çalışmada, önerilen facile ve hızlı elektroless biriktirme süreci görünür-ışık fotokatalysts olarak kullanılabilecek au/Tin/si kompozitler hazırlamak için uygulanabilir bir yaklaşım sağlar21,22. Aynı protokolü kullanarak, gelecekte uygulamalar için TiN/SiO2/si, kalay/cam, tın/Ito ve tın/FTO gibi diğer substratlar üzerinde au dnfs üretebilmek de mümkündür.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların ifşa etmesi gereken hiçbir şey yok.
Acknowledgments
Bu iş bilim ve Teknoloji Bakanlığı, Tayvan, sözleşme numaraları en 105-2221-E-492-003-MY2 ve en 107-2622-E-239-002-CC3 tarafından desteklenmektedir.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acetone | Dinhaw Enterprise Co. Ltd.,Taipei, Taiwan | ||
| Isopropanol | Echo Chemical Co. Ltd., Miaoli, Taiwan | TG-078-000000-75NL | |
| Buffered Oxide Etch | Uni-onward Corp., Hsinchu, Taiwan | UR-BOE-1EA | |
| Chloroauric Acid | Alfa Aesar., Heysham, United Kingdom | 36400.03 | |
| N-Type Silicon Wafer | Summit-Tech Company, Hsinchu, Taiwan | ||
| High-Power Impulse Magnetron Sputtering System (HiPIMS) | Melec GmbH, Germany | SPIK2000A | |
| Scanning Electron Microscope (SEM) | JEOL, Japan | JSM-7800F | |
| Ion Sputter Coater | Hitachi, Japan | E-1030 | |
| X-Ray Diffractometer (XRD) | PANalytical, The Netherlands | X'Pert PRO MRD |
References
- Nehl, C. L., Hafner, J. H. Shape-dependent plasmon resonances of gold nanoparticles. Journal of Materials Chemistry. 18 (21), 2415-2419 (2008).
- Auguié, B., Barnes, W. L. Collective resonances in gold nanoparticle arrays. Physical Review Letters. 101 (14), 143902 (2008).
- Sakai, N., Fujiwara, Y., Arai, M., Yu, K., Tatsuma, T. Electrodeposition of gold nanoparticles on ITO: Control of morphology and plasmon resonance-based absorption and scattering. Journal of Electroanalytical Chemistry. 628 (1-2), 7-15 (2009).
- Shiao, M. H., Lai, C. P., Liao, B. H., Lin, Y. S. Effect of photoillumination on gold-nanoparticle-assisted chemical etching of silicon. Journal of Nanomaterials. 2018, 5479605 (2018).
- Ayati, A., et al. Photocatalytic degradation of nitrobenzene by gold nanoparticles decorated polyoxometalate immobilized TiO nanotubes. Separation and Purification Technology. 171, 62-68 (2016).
- Huang, T., Meng, F., Qi, L. Controlled synthesis of dendritic gold nanostructures assisted by supramolecular complexes of surfactant with cyclodextrin. Langmuir. 26 (10), 7582-7589 (2009).
- Lahiri, A., Wen, R., Kuimalee, S., Kobayashi, S. I., Park, H. One-step growth of needle and dendritic gold nanostructures on silicon for surface enhanced Raman scattering. CrystEngComm. 14 (4), 1241-1246 (2012).
- Lahiri, A., Wen, R., Kobayashi, S. I., Wang, P., Fang, Y. Unique and unusual pattern demonstrating the crystal growth through bubble formation. Crystal Growth & Design. 12 (3), 1666-1670 (2012).
- Lahiri, A., et al. Photo-assisted control of gold and silver nanostructures on silicon and its SERRS effect. Journal of Physics D: Applied Physics. 46 (27), 275303 (2013).
- Lv, Z. Y., et al. Facile and controlled electrochemical route to three-dimensional hierarchical dendritic gold nanostructures. Electrochimica Acta. 109, 136-144 (2013).
- Dutta, S., et al. Mesoporous gold and palladium nanoleaves from liquid–liquid interface: enhanced catalytic activity of the palladium analogue toward hydrazine-assisted room-temperature 4-nitrophenol reduction. ACS Applied Materials & Interfaces. 6 (12), 9134-9143 (2014).
- Lin, C. T., et al. Rapid fabrication of three-dimensional gold dendritic nanoforests for visible light-enhanced methanol oxidation. Electrochimica Acta. 192, 15-21 (2016).
- Lahiri, A., Kobayashi, S. I. Electroless deposition of gold on silicon and its potential applications. Surface Engineering. 32 (5), 321-337 (2016).
- White, N., et al. Surface/interface analysis and optical properties of RF sputter-deposited nanocrystalline titanium nitride thin films. Applied Surface Science. 292, 74-85 (2014).
- Zhao, J., et al. Surface enhanced Raman scattering substrates based on titanium nitride nanorods. Optical Materials. 47, 219-224 (2015).
- Lorite, I., Serrano, A., Schwartzberg, A., Bueno, J., Costa-Krämer, J. L. Surface enhanced Raman spectroscopy by titanium nitride non-continuous thin films. Thin Solid Films. 531, 144-146 (2013).
- O’Kelly, J. P., et al. Room temperature electroless plating copper seed layer process for damascene interlevel metal structures. Microelectronic Engineering. 50 (1), 473-479 (2000).
- Cesiulis, H., Ziomek-Moroz, M. Electrocrystallization and electrodeposition of silver on titanium nitride. Journal of Applied Electrochemistry. 30 (11), 1261-1268 (2000).
- Wu, Y., Chen, W. C., Fong, H. P., Wan, C. C., Wang, Y. Y. Displacement reactions between metal ions and nitride barrier layer/silicon substrate. Journal of the Electrochemical Society. 149 (5), G309-G317 (2002).
- Koo, H. C., Ahn, E. J., Kim, J. J. Direct-electroplating of Ag on pretreated TiN surfaces. Journal of the Electrochemical Society. 155 (1), D10-D13 (2008).
- Shiao, M. H., et al. Novel gold dendritic nanoflowers deposited on titanium nitride for photoelectrochemical cells. Journal of Solid State Electrochemistry. 22 (10), 3077-3084 (2018).
- Shiao, M. H., Lin, C. T., Zeng, J. J., Lin, Y. S. Novel gold dendritic nanoforests combined with titanium nitride for visible-light-enhanced chemical degradation. Nanomaterials. 8 (5), 282 (2018).
- Carraro, C., Maboudian, R., Magagnin, L. Metallization and nanostructuring of semiconductor surfaces by galvanic displacement processes. Surface Science Reports. 62 (12), 499-525 (2007).
