Ein Protokoll für das kernlose und hohe Ertragswachstum von Bismut-Nanodraht-Arrays durch thermische Vakuumverdampfungstechnik wird vorgestellt.
Methodenartikel
Ein Protokoll für das kernlose und hohe Ertragswachstum von Bismut-Nanodraht-Arrays durch thermische Vakuumverdampfungstechnik wird vorgestellt.
Hier wird eine kernlose und Template-freie Technik wird gezeigt, skalierbar wachsen Bismut-Nanodrähten durch thermische Verdampfung im Hochvakuum bei RT. Herkömmlicherweise für die Herstellung von dünnen Metallfolien, die thermische Verdampfung Ablagerungen Wismut in eine Anordnung von vertikalen einkristalline Nanodrähte über eine flache Dünnfilm Vanadium bei RT gehalten, die frisch durch Magnetron-Sputtern oder thermische Verdampfung abgeschieden ist reserviert. Durch die Steuerung der Temperatur des Wachstumssubstrat die Länge und Breite der Nanodrähte können über einen weiten Bereich eingestellt werden. Verantwortlich für diese neue Technik ist eine bisher unbekannte Nanodrahtwachstumsmechanismus, die Wurzeln in der milden Porosität des Vanadium-Dünnfilm. In die Vanadium Poren infiltriert, die Wismut-Domains (~ 1 nm) durchführen zu hohe Oberflächenenergie, die ihren Schmelzpunkt unterdrückt und kontinuierlich treibt sie aus dem Vanadium-Matrix, um Nanodrähte bilden. Diese Entdeckung zeigt die Durchführbarkeit von skalierbaren Dampfphase synthESIS von hochreinen Nanomaterialien ohne Verwendung von Katalysatoren.
Nanodrähte beschränken den Transport von Ladungsträgern und anderen Quasiteilchen wie Photonen und Plasmonen in einer Dimension. Dementsprechend Nanodrähte weisen in der Regel neuartigen elektrischen, magnetischen, optischen und chemischen Eigenschaften, die sie für Anwendungen in der Mikro- / Nanoelektronik, Photonik, Medizintechnik, Umwelt- und Energie-Technologien zu gewähren nahezu unendlichen Potenzial. 1,2 Während der letzten zwei Jahrzehnte, zahlreiche Top-down- und Bottom-up-Ansätze wurden entwickelt, um eine breite Palette von hochwertigen Metall- oder Halbleiter-Nanodrähte im Labormaßstab. 3-6 Trotz dieser Entwicklungen Synthese beruht jeder Ansatz für bestimmte einzigartige Eigenschaften des Endprodukts für seinen Erfolg. Zum Beispiel ist das populäre Dampf-Flüssigkeit-Feststoff (VLS) Verfahren für die Halbleitermaterialien, die höhere Schmelzpunkte haben, und bilden eutektische Legierung mit entsprechenden katalytischen "Keime". 7. Als Ergebnis bessere Passform, die Synthese eines NanodrahtMaterial von besonderem Interesse möglicherweise nicht von bestehenden Techniken abgedeckt werden.
Als ein Halbmetall mit kleinen indirekten Bandüberdeckung (-38 meV bei 0 K) und ungewöhnlich leicht Ladungsträger, ist Wismut ein solches Beispiel. Verhält sich das Material bei geringen Abmessungen radikal anders im Vergleich zu ihrer Masse, als Quanteneinschluß könnte Bismut-Nanodrähten oder dünne Filme in ein Schmalbandabstand-Halbleiter zu machen. 8-12 In der Zwischenzeit wird die Oberfläche der Wismut bildet eine quasi-zweidimensionales Metall also deutlich mehr als die metallische Masse. 13,14 Es wurde gezeigt, dass die Oberfläche der Wismut erzielt eine Elektronenmobilität von 2 × 10 4 cm 2 V -1 s -1 und trägt sehr stark auf seine Thermokraft in Nanodrahtform. 15 Wie wie, gibt es erhebliche Interessen auf das Studium Bismut-Nanodrähte für elektronische und insbesondere thermoelektrische Anwendungen. 12-16 Aufgrund der Wismut sehr niedrigSchmelzpunkt (544 K) und die Bereitschaft zur Oxidation, bleibt es eine Herausforderung, hohe Qualität und einkristalline Nanodrähte Wismut mit traditionellen Dampfphase oder Lösungsphasentechniken Synthese.
Zuvor wurde es von einigen Arbeitsgruppen beschrieben, dass einkristalline Wismut Nanodrähte wachsen bei niedrigen Ausbeute bei der Vakuumabscheidung von Bismut-Dünnschicht, die auf die Freisetzung von Stress in den Film eingebaut zugeschrieben wird. 17-20 In jüngster Zeit entdeckten wir eine neuartige Verfahren, das auf der thermischen Verdampfung des Wismut im Hochvakuum basiert und führt zu der skalierbaren Bildung von einkristallinen Bismut-Nanodrähte mit hoher Ausbeute. 21. Im Vergleich zu zuvor beschriebenen Verfahren, ist das einzigartige Merkmal dieses Verfahrens, dass das Wachstumssubstrat ist frisch beschichteten mit einer dünnen Schicht von nanoporösen Vanadium vor der Abscheidung Wismut. Während dessen thermische Verdampfung, infiltriert Wismutdampf in die nanoporöse Struktur der vanAdium Film und kondensiert dort als Nanodomänen. Da Vanadium nicht durch Kondenswasser Wismut benetzt, die infiltrierte Domänen anschließend aus dem Vanadium Matrix ausgetrieben, um ihre Oberflächenenergie zu lösen. Es ist die fortlaufende Vertreibung der Wismut-Nanodomänen, die die vertikale Bismut-Nanodrähte bildet. Da die Wismut-Domains sind nur 1-2 nm im Durchmesser, sind sie mit erheblichen Schmelzpunkt-Unterdrückung, die sie bei RT fast geschmolzenen macht. Als Ergebnis geht der Nanodrähte Wachstum mit der bei Raumtemperatur gehaltenen Substrats. Auf der anderen Seite, da die Wanderung der Wismut Domänen thermisch aktiviert wird, wobei die Länge und Breite der Nanodrähte können über einen weiten Bereich einfach durch Steuern der Temperatur des Wachstum-Substrats abgestimmt werden kann. Diese detaillierte Video-Protokoll soll dazu beitragen, neue Praktiker auf dem Gebiet zu vermeiden verschiedene häufige Probleme mit physikalische Gasphasenabscheidung von dünnen Schichten im Hochvakuum, sauerstofffreien Umgebung verbunden.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Achtung: Bitte beachten Sie alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (MSDS) vor dem Gebrauch. Nanomaterialien können zusätzliche Gefahren im Vergleich zu ihren Großgegenstück haben. Bitte verwenden Sie alle geeigneten Sicherheitspraktiken beim Umgang mit Nanomaterialien bedeckten Substrate, einschließlich der Verwendung von technischen Massnahmen verwendet (Abzug) und persönliche Schutzausrüstung (Schutzbrille, Handschuhe, Labormantel, in voller Länge Hosen, geschlossene Schuhe).
1. Vorbereitende Arbeiten
2. Wachstum der Nanodrähte Bismuth
Anmerkung: Der Versuch wird nicht bewegt, zu dem nächsten Schritt, bis der Basisdruck der Abscheidungskammer wurde 2 × 10 -6 Torr oder weniger erreicht ist.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Die Querschnitts SEM-Bilder der Vanadiumunterschichten mittels Magnetron-Sputtern und thermische Verdampfungsverfahren gebildet werden, in Fig. 2 Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Bilder für Bismut-Nanodrähte bei verschiedenen Substrattemperaturen gebildet (Figur 3) dargestellt dargestellt. Die Kristallstruktur der Wismutnanodrähte wird durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), selektiven Bereichselektronenbeugung (SAED) und Röntgenbeugung (XRD) Studien (Figur 4) ...
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Das Wachstum der Nanodrähte Wismut ist, in einer physikalischen Dampfabscheidungssystem mit zumindest zwei Abscheidungsquellen, eine für Wismut und anderen für Vanadium durchgeführt werden. Es wird empfohlen, eine der Quellen ist eine Magnetronsputtervorrichtung Quelle für die Abscheidung von Vanadium. Hochvakuum wird durch eine Turbomolekularpumpen mit einer trockenen Spiralpumpe gesichert erreicht. Die Aufdampfanlage wird mit einer kalibrierten Quarzmikrowaage (QCM) zur in situ Dickenüberwachungsgeräte. Das D...
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Autoren haben nichts offenzulegen.
Die Forschung wird am Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory, durchgeführt, das vom U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, unter der Vertragsnummer unterstützt wird. DE-SC0012704.
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Wismut | Sigma-Aldrich | 556130 | Granulat, 99.999% |
| Vanadium Slug | Alfa Aesar | 42829 | 3.175 mm (0,125 Zoll) Durchmesser x 6,35 mm (0,25 Zoll) Länge, 99,8 % |
| Vanadium-Sputtertarget | Kurt J. Lesker | EJTVXXX253A2 | 3,00" Durchmesser x 0,125" Dicke, 99,5 % |
| Aceton | Sigma-Aldrich | 179124 | >99,5 % |
| Ethanol | Alfa Aesar | 33361 | Wasserfreier |
| Siliziumwafer | Universitätswafer | mit einer Dicke von 300 Mikrometern, (100) Ausrichtung | |
| Silbergefülltes Epoxidharz | Circuit Works | CW2400 | Zweiteiliges leitfähiges Epoxidharz |
| Wolframschiffchen, Aluminiumoxidbeschichtetes | R. D. Mathis | S9B-AO-W | Für die thermische Wismutverdampfung |
| Wolframschiffchen | R. D. Mathis | S4-.015W | Für die thermische Verdampfung von Vanadium |
| RIE Plasma | Nordson March | CS-1701 | |
| PVD 75 Gasphasenabscheidungsplattform | Kurt J. Lesker | PEDP75FTCLT001 | Ausgestattet mit drei thermischen Verdampfungsquellen und einer DC-Magnetron-Sputterquelle |
| Thermoelektrischer Temperaturregler | LairdTech | MTTC-1410 | |
| PT1000 RGD | LairdTech | 340912-01 | Temperatursensor für MTTC-1410 |
| Thermoelektrisches Modul | LairdTech | 56910-502 | |
| Ultraschallgerät | Crest Ultrasonics | Tru-Sweep 175 |
Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.
Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden
Genehmigung beantragen