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通过真空热蒸发法实现无种子铋纳米线阵列的生长

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DOI：

10.3791/53396

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2015年12月21日

 ,  , 
1Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory

本文内容

摘要

介绍了一种通过真空热蒸发技术实现无种子、高产率生长铋纳米线阵列的方案。

摘要

本文展示了一种无种子、无需模板的大规模生长铋纳米线的技术，该方法通过在室温下高真空环境中进行热蒸发实现。传统上，热蒸发主要用于金属薄膜的制备，而在此方法中，铋被沉积到由磁控溅射或热蒸发 freshly 沉积在室温下的钒薄膜表面，形成垂直排列的单晶纳米线阵列。通过调控生长基底的温度，可在一个较宽范围内调节纳米线的长度和宽度。该新颖技术的背后是一种此前未知的纳米线生长机制，其根源在于钒薄膜具有轻微的孔隙性。铋的晶畴（约1 nm）渗入钒的孔隙后，因具有较高的表面能，导致其熔点降低，并持续从钒基体中被排出，从而形成纳米线。这一发现证明了无需使用任何催化剂即可实现高纯度纳米材料的可扩展气相合成的可行性。

引言

纳米线在一维方向上限制了载流子及其他准粒子（如光子和等离激元）的传输。因此，纳米线通常表现出新颖的电学、磁学、光学和化学特性，使其在微/纳米电子学、光子学、生物医学、环境和能源相关技术领域具有近乎无限的应用潜力。1,2 在过去的二十年中，已发展出多种自上而下和自下而上的方法，可在实验室规模合成多种高质量的金属或半导体纳米线。3-6 尽管取得了这些进展，每种方法的成功仍依赖于最终产物的某些独特性质。例如，广泛使用的气-液-固（VLS）法更适用于具有较高熔点且能与相应催化"种子"形成共晶合金的半导体材料。7 因此，对于某些特定感兴趣的纳米线材料，现有技术可能尚无法实现其合成。

铋是一种具有微小间接带重叠（在0 K时为-38 meV）和异常轻的载流子的半金属，即为一个典型例子。当维度降低时，该材料的行为与其体相材料显著不同，因为量子限域效应可使铋纳米线或薄膜转变为窄带隙半导体。8-12 同时，铋的表面会形成准二维金属态，其金属性显著强于体相。13,14 研究表明，铋表面可实现高达2×104 cm2 V-1 sec-1的电子迁移率，并在纳米线形态下显著贡献其热电性能。15 因此，人们对研究铋纳米线在电子学、尤其是热电应用方面具有浓厚兴趣。12-16 然而，由于铋的熔点极低（544 K）且易于氧化，采用传统的气相或液相方法合成高质量单晶铋纳米线仍面临挑战。

此前，已有少数研究组报道，在真空沉积铋薄膜过程中，单晶铋纳米线的产率较低，这归因于薄膜内部应力的释放17-20。最近，我们发现了一种基于高真空条件下热蒸发铋的新技术，可实现高产率、可扩展的单晶铋纳米线的制备21。与之前报道的方法相比，该技术最独特的特征在于：在沉积铋之前，生长基底预先镀上一层新鲜的纳米多孔钒薄膜。在随后的热蒸发过程中，铋蒸气渗入钒薄膜的纳米多孔结构，并在其中凝结形成纳米尺度的晶畴。由于凝固的铋不能润湿钒，这些渗入的晶畴会从钒基体中被持续排出，以释放其表面能。正是这种铋纳米晶畴的连续排出过程，形成了垂直取向的铋纳米线。由于铋晶畴的直径仅为1–2 nm，其熔点显著降低，因而在室温下几乎处于熔融状态。因此，纳米线的生长可在室温基底上进行。另一方面，由于铋晶畴的迁移是热激活过程，通过简单调节生长基底的温度，即可在较宽范围内调控纳米线的长度和宽度。本详细的视频实验方案旨在帮助该领域的新手避免在高真空、无氧环境中进行物理气相沉积薄膜时常见的各种问题。

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方案

注意：使用前请查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS）。与块体材料相比，纳米材料可能存在额外的危害。操作覆盖纳米材料的基底时，请采用所有适当的安全措施，包括使用工程控制设备（通风橱）和个人防护装备（护目镜、手套、实验服、长裤、封闭式鞋子）。

1. 准备工作

  1. 蒸镀系统的制备
    1. 将沉积室通气至大气压并打开腔室。通过按压 "开始PC排气" 点击控制软件界面上的按钮，系统将自动启动排气程序，使腔室与大气压力平衡。当腔室压力达到大气压后，拉开前部访问门以打开腔室。
    2. 在一对热蒸发电极之间安装一个钨蒸发舟（氧化铝涂层）。将1 g铋颗粒放入蒸发舟中。
    3. 将钒溅射靶材安装至磁控溅射源。对于未配备溅射源的沉积系统，请参见步骤1.1.4）。
    4. (可选，适用于未配备溅射源的沉积系统将钨蒸发舟安装在一对热蒸发电极之间。将0.5 g钒条放入蒸发舟中。
    5. 将闭环温控器的迷你香蕉插头（两个用于加热/冷却电源，两个用于温度探头）连接到沉积系统的电学引线端口。
  2. 生长基质的制备
    注意：铋纳米线的形成对所选生长基底不敏感。使用载玻片、硅片或金属薄板均获得了类似结果。作者建议在进行蒸镀前立即清洗基底，以确保钒底层的一致附着。可采用多种基底清洗技术，包括等离子清洗和湿法化学清洗，均可获得类似效果。
    1. 通过氧气等离子体清洁生长基底
      1. 将生长基底放入等离子清洗仪中，并通过按压按钮抽空腔室 "真空开启" 按钮，使其达到10 mTorr的基础压力。
      2. 打开氧气阀门，通过按压将氧气通入腔室 "GAS ON" 前面板上的按钮，并通过按压来调节流速 "INCR" 和 "DECR" 用于控制气体流速的按钮，以维持腔室压力约为100 mTorr。
      3. 将等离子功率通过按下设置为 20 W "INCR" 和 "DECR" 用于电源控制的按钮，以及通过按压来点燃等离子体的按钮 "射频开启" 按钮。
      4. 等待5分钟后，按下按钮关闭等离子体 "射频开启" 按钮。通过按压释放腔室压力 "放血" 按钮并取出底物。
    2. 采用湿化学法清洁生长基底
      1. 将生长基底浸入盛有丙酮的烧杯中，将烧杯放入超声波清洗器，于最大功率下超声处理2分钟。
      2. 从烧杯中取出基底，用洗瓶中的无水乙醇冲洗30秒。
      3. 在氮气流中干燥基底。
  3. 基底装载与沉积系统的抽气
    1. 将基底温度控制组件安装到基底支架上。
    2. 使用弹簧夹将生长基质固定在帕尔帖制冷/加热装置的顶部。
    3. 将完全组装好的基底支架安装到气相沉积腔室中，使基底面向沉积源。将电引线连接至帕尔贴制冷/加热组件。
    4. 关闭衬底快门，以避免材料意外沉积到衬底上。
    5. 开始抽空沉积室。抽真空操作通过按下 "启动PC泵" 控制软件界面上的按钮，可自动启动将腔室抽至本底压力的序列。

2. 铋纳米线的生长 

注意：沉积室的本底压力未达到 2 × 10-6 Torr 或更低时，实验不会进入下一步。

  1. 钒底层的沉积
    注意：当使用磁控溅射法沉积钒底层时，实验的可重复性最佳。若无溅射源，只要沉积系统的本底真空度足够低（≤ 5 × 10-7 Torr），仍可通过热蒸发法实现较高的可重复性。具体操作详见步骤 3.1.2。
    1. 使用磁控溅射源进行钒的沉积。
      1. 开启溅射源的氩气流量，设定流速为 40 sccm。
      2. 调节涡轮分子泵的转速，使腔室压力达到 2.5 mTorr。
      3. 在腔室压力逐渐趋于稳定的过程中，设置石英晶体微天平（QCM）的厚度校正因子。对于钒，其密度为 5.96 g/cm3，Z 因子为 0.530。
      4. 开启直流溅射源，将功率设定在 200–250 W。在作者所使用的沉积系统中，此功率下的沉积速率约为 0.4 Å/s。保持源开启但不打开基底快门，持续运行 2 分钟。
        注意：此步骤可去除钒源表面的天然氧化层，暴露出新鲜的钒表面。
      5. 打开基底快门，开始钒的沉积。同时，将 QCM 的累积厚度重置为零。
      6. 继续沉积，直至 QCM 显示的表观厚度达到 20 nm，然后关闭基底快门。
      7. 逐步将溅射功率降低至零，关闭溅射源。
      8. 关闭氩气流量，将涡轮分子泵恢复至全功率运行。
    2. （可选，适用于未配备溅射源的沉积系统）使用热蒸发源进行钒的沉积。
      1. 由于钒的熔点较高（1,910 °C）且易氧化，建议在本底真空度为 5 × 10-7 Torr 或更低的条件下进行热蒸发。
      2. 设置 QCM 的厚度校正因子。对于钒，其密度为 5.96 g/cm3，Z 因子为 0.530。
      3. 开启热蒸发电源至钒源，缓慢增加加热功率至钨舟，直至钒块完全熔化。
      4. 保持基底快门关闭，缓慢增加加热功率，直至 QCM 读数显示沉积速率达到 2 Å/s。打开基底快门，开始钒的沉积。同时，将 QCM 的累积厚度重置为零。
      5. 继续沉积，直至 QCM 显示的表观厚度达到 50 nm，然后关闭基底快门。
      6. 逐步将热蒸发功率降低至零，关闭蒸发源。
  2. 铋纳米线的沉积
    1. 若需在室温以上或以下进行铋的沉积，先将所需温度设定至温控器，并等待达到设定温度。
    2. 设置 QCM 的厚度校正因子。对于铋，其密度为 9.78 g/cm3，Z 因子为 0.790。
    3. 开启热蒸发电源至铋源，缓慢增加钨舟的加热功率，直至 QCM 读数显示沉积速率达到 2 Å/s。
    4. 打开基底快门，开始铋的沉积。同时，将 QCM 的累积厚度重置为零。
    5. 继续沉积，直至 QCM 显示的表观厚度达到 50 nm，然后关闭基底快门。
    6. 逐步将热蒸发功率降低至零，关闭蒸发源。
    7. 关闭热电制冷/加热装置的电源。
    8. 向沉积腔室通入大气，使腔室压力恢复至常压，打开腔室。取出基底支架，收集表面覆盖有铋纳米线的基底。

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结果

通过磁控溅射和热蒸发方法制备的钒底层的横截面扫描电镜（SEM）图像如图2所示。展示了在不同基底温度下制备的铋纳米线的扫描电子显微镜（SEM）图像（图3）。通过透射电子显微镜（TEM）、选区电子衍射（SAED）和X射线衍射（XRD）研究确定了铋纳米线的晶体结构（图4）。能量色散X射线光谱的元素分析表明，铋纳米线未与钒底层形成合金（图4）。

热电冷却示意图；生长基底；铂电阻温度计；散热系统；热传递过程。
图1. 基底温度控制单元的结构示意图。该单元通过将银填充环氧树脂导热胶将Peltier型热电模块粘接至散热器上组装而成。将铂电阻温...

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讨论

铋纳米线的生长需在具有至少两个沉积源的物理气相沉积系统中进行，其中一个用于铋，另一个用于钒。建议使用磁控溅射源沉积钒。通过由干式涡旋泵支持的涡轮分子泵实现高真空。该气相沉积系统配备经校准的石英晶体微天平（QCM），用于 原位 厚度监测。该蒸镀系统配备有电气引线通路，用于生长基底的闭环温度控制。通过与散热片热胶粘接的Peltier型陶瓷片热电模块，热电温度控制器为基底提供加热/冷却。基底温度由铂电阻温度检测器（RTD）监测。参考 图1 有关基底温度控制单元的示意图。

与现有文献中的方法相比，本技术可实现单晶铋纳米线的高产率（>70%）制备。该技术还具有良好的可扩展性：所沉积铋纳米线的量仅受限于基底尺寸。要成功生长铋纳米线，关键在于沉积一层始终无氧化的纳米多孔钒薄膜。选择钒是因为其具有高熔点（1,910 °C），在低温基底上沉积时易于形成多孔薄膜。其他高熔点金属（如钛，熔点为1,668 °C）也可能以类似方式促进铋纳米线的生长。图2展示了通过磁控溅射（a）和热蒸发（b）方法沉积的钒薄膜的扫描电...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

研究工作在布鲁克海文国家实验室的功能纳米材料中心进行，该中心由美国能源部基础能源科学办公室根据合同编号DE-SC0012704提供支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
铋Sigma-Aldrich556130颗粒状，99.999%
钒柱Alfa Aesar428293.175 mm (0.125 in) 直径 × 6.35 mm (0.25 in) 长度，99.8%
溅射用钒靶材Kurt J. LeskerEJTVXXX253A23.00" 直径 × 0.125" 厚度，99.5%
丙酮Sigma-Aldrich179124>99.5%
乙醇Alfa Aesar33361无水
硅片University Wafers厚度为 300 微米，(100) 晶向
银填充环氧树脂Circuit WorksCW2400双组分导电环氧树脂
氧化铝涂层钨舟R. D. MathisS9B-AO-W用于铋的热蒸发
钨舟R. D. MathisS4-.015W用于钒的热蒸发
反应离子刻蚀等离子体系统Nordson MarchCS-1701
PVD 75 蒸镀平台Kurt J. LeskerPEDP75FTCLT001配备三个热蒸发源和一个直流磁控溅射源
热电温度控制器LairdTechMTTC-1410
PT1000 RGDLairdTech340912-01MTTC-1410 的温度传感器
热电模块LairdTech56910-502
超声波清洗机Crest UltrasonicsTru-Sweep 175

参考文献

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