Preparación de macroporosas Epitaxial cuarzo Films en silicio por la solución de deposición química

Resumen

Se presenta un protocolo para la preparación de películas epitaxiales macroporosas piezoeléctricas de cuarzo sobre silicio mediante química en solución utilizando recubrimiento por inmersión y tratamientos térmicos en aire.

Resumen

Este trabajo describe el protocolo detallado para la preparación de películas de cuarzo epitaxial macroporoso piezoeléctrico sobre sustratos de silicio(100). Se trata de un proceso de tres pasos basado en la preparación de un sol en una síntesis de un solo recipiente, al que sigue la deposición de una película de gel sobre sustratos de Si(100) mediante autoensamblaje inducido por evaporación mediante la técnica de recubrimiento por inmersión y finaliza con un tratamiento térmico del material para inducir la cristalización del gel y el crecimiento de la película de cuarzo. La formación de un gel de sílice se basa en la reacción de un ortosilicato de tetraetilo y agua, catalizada por HCl, en etanol. Sin embargo, la solución contiene dos componentes adicionales que son esenciales para la preparación de películas de cuarzo epitaxial mesoporoso a partir de estos geles de sílice recubiertos por inmersión en Si. Los iones alcalinotérreos, como el Sr²⁺, actúan como agentes de fusión de vidrio que facilitan la cristalización de la sílice y, en combinación con la plantilla anfifílica de bromuro de cetil trimetilamonio (CTAB), forman una separación de fases responsable de la macroporosidad de las películas. La buena coincidencia entre los parámetros de la célula de cuarzo y silicio también es esencial en la estabilización del cuarzo sobre otros polimorfos de_SiO2 y está en el origen del crecimiento epitaxial.

Introducción

Cuando un material piezoeléctrico como α-cuarzo se somete a una polarización de tensión se somete a una deformación mecánica. Si este material es poroso, estos cambios de volumen pueden conducir a la expansión de los poros o contracción, la creación de un sistema de respuesta similar a lo que se puede observar en la vivencia de orgánulos biológicos. ¹ deformable poroso α-cuarzo se ha producido usando microfabricación, ² pero estas técnicas aún no puede producir estructuras de poro 3-D, y diámetros de poro son del orden de cientos de nanómetros. La cristalización de sílice amorfa estructurado ha visto obstaculizado por la nucleación homogénea causada por energías superficiales elevadas y deformación arquitectónico debido a engrosamiento y la fusión. Además, dado que todas las formas de sílice se basan en extremadamente estables SiO _{4 redes} tetraédricos, las energías libres de formación de sílice amorfa, α-cuarzo y otros SiO ₂ polimorfos son casi iguales en una amplia gama de temperaturas, Making difícil producir α-cuarzo como un único polimorfo de la cristalización de un gel de sílice amorfa. ³ Otro aspecto que hace más difícil la cristalización controlada de sílice amorfa estructurada es que el cuarzo presenta una velocidad de nucleación relativamente lento, pero una tasa de crecimiento extremadamente rápido, reportado entre 10-94 nm / seg. ^4,5 nucleación lenta junto con el crecimiento rápido tiende a generar cristales mucho más grandes que la estructura nanoporoso original, por lo tanto se pierde la morfología original. Metales alcalinos, tales como Na ⁺ y Li ^+, se han utilizado para cristalizar α-cuarzo, con frecuencia en combinación con el tratamiento hidrotermal. ^5,6 Además, un Ti ⁴⁺ / Ca ²⁺ combinación fue empleado para cristalizar partículas esféricas de sílice en cuarzo por una ruta química suave utilizando alcóxidos de silicio. ⁷ Sin embargo, la cristalización controlada de una película de sílice amorfa estructurada en cuarzo sigue siendo un desafío.

Recientemente, el estroncio se ha encontrado "jove_content" para catalizar la nucleación y el crecimiento cristalino de SiO ₂ bajo presión ambiente y temperaturas relativamente bajas. ^8,9 epitaxia, surge de la falta de coincidencia entre α-favorable de cuarzo y el sustrato <100> silicio, la producción de películas delgadas orientadas piezoeléctricos. La evaporación inducida por auto-ensamblaje para producir películas de sílice mesoporosos se ha utilizado desde 1999. ¹⁰ Esta técnica se ha estudiado y se aplica a una multitud de agentes de plantilla en diversas condiciones para producir poros de tamaños variables y mesofases. Se ha encontrado que los cambios en el tamaño de mesoporos subnanométrica pueden tener un efecto dramático sobre la difusión de solutos a través de sistemas porosos ^11, validación de esta extensa atención a los poros estructura. Por otra parte, la accesibilidad al sistema de poros de sílice interna se puede obtener mediante el control de la fase micelar de la plantilla. ¹²

Aquí, la ruta de síntesis tsombrero permite un control sin precedentes sobre el tamaño de poro y grosor de las capas de sílice amorfa utilizando una novela separación de fases se demuestra. ¹³ Estas películas se infiltran con Sr (II) las sales y se cristalizó a alfa-cuarzo a 1000 ° C bajo aire a presión ambiente. El tamaño de poro retenible el uso de este proceso de cristalización se determina, y el efecto de espesor de pared y grosor de la película se estudia. Por último, la piezoelectricidad y la deformabilidad del sistema de poros se estudian.

Protocolo

1. Preparación del Sol

1. Preparar una solución de ortosilicato de tetraetilo prehidrolizado (TEOS) el día antes de la preparación de las películas de gel en una campana de humos en la que se colocan una balanza de laboratorio y un agitador magnético. En este paso y en todo el protocolo de llevar una bata de laboratorio, guantes y gafas de seguridad.
   1. En un vaso de 50 ml que contenía una barra de agitación magnética recubierta de teflón pesan 1,68 g de CTAB, añadir 48,13 ml de etanol y 3,00 ml de HCl 35%, cubrir el vaso con un vidrio de reloj y revuelva hasta que el CTAB se disuelva por completo.
   2. Añadir 7,37 ml de TEOS a la gota a gota vaso de precipitados (a una velocidad de alrededor de 1-2 gotas por segundo) mientras se agitaba, cubrir el matraz con un vidrio de reloj y se deja agitar O / N.
2. El día siguiente, preparar una solución acuosa 1 M ^de 2+ Sr. Realice este y los siguientes pasos justo antes de la preparación de las películas de gel debido a que una solución de edad es propensa a re-precipitación de la sal Sr.
   1. Pesar 6,6654 g de SrCl ₂ · 6H ₂ O en un matraz aforado de 25 ml.
   2. Añadir agua ultrapura (por ejemplo, Milli-Q) hasta 25 ml (menisco tangente a la marca de frasco) y cerrar el frasco con una tapa de plástico y agite suavemente el frasco para disolver el cloruro de estroncio.
3. Añadir 2 ml de la solución acuosa 1 M de Sr ²⁺ al vaso de precipitados de vidrio de 50 ml que contiene el sol que se dejó en agitación O / N. Se agita la solución durante 25 min.
4. Deseche los residuos que se han generado con el tiempo de acuerdo a los protocolos de protección de seguridad y medio ambiente del laboratorio.

2. Gel de deposición de película de Si (100) Sustratos

1. Preparación de los sustratos
   1. Cortar losas de Si de alrededor de 2 cm por 5 cm fuera de un 2 pulgadas de tipo p (100) oblea de silicio con un espesor de 200 micras mediante la escisión de la oblea en una dirección paralela o perpendicular al plano de la oblea usando una punta de diamante o una objeto afilado filo. Realice este paso en anuncioVance, por ejemplo, el día antes de la deposición de las películas de gel.
   2. Justo antes de la deposición de los geles, limpiar los sustratos con etanol y dejarlos secar o utilizar un flujo de nitrógeno o aire comprimido para acelerar el secado. Realice este paso a la espera de la finalización de la etapa 1.3.
2. Cubra las películas. Con el fin de obtener una estructura homogénea de macroporos realizar este paso en condiciones de humedad relativa entre 20% y 55% a TA.
   1. Establecer una secuencia de recubrimiento por inmersión. Seleccionar las posiciones inicial y final, teniendo en cuenta la longitud real de la losa de Si y el nivel de la solución en el vaso de precipitados de modo que la losa es por lo menos 2 cm por encima del nivel de la solución en la posición de partida y 1 cm por encima de la parte inferior de la vaso de precipitados al final de la inmersión. Establezca tanto las velocidades de inmersión y de abstinencia a 150 mm / min. Ajuste el tiempo de inmersión (tiempo en la posición final) a cero.
   2. Al término de la etapa 1.3 lugar el vaso de precipitados con el por lolución en una posición bien centrada debajo de la losa de Si cuelga del brazo de inmersión revestidor.
   3. Fijar un extremo de la losa Si al brazo dip-revestidor con el clip, asegurando la losa es lo más perpendicular posible con respecto a la horizontal.
   4. Ejecutar la secuencia de recubrimiento por inmersión y soltar la losa de Si desde el brazo dip-revestidor. Repita los pasos 2.2.3 y 2.2.4 con losas de Si adicionales para producir más películas, teniendo cuidado de no extender estas preparaciones más allá de 1 hora, para asegurar que la estabilidad de la solución no se vea comprometida.
3. Deseche las soluciones que se han generado con el tiempo de acuerdo a los protocolos de protección de seguridad y medio ambiente del laboratorio.

3. Gel de Cine La cristalización por tratamiento térmico

1. El tratamiento térmico de las películas de gel de Si (100).
   1. Programa de un horno para realizar el siguiente tratamiento térmico en atmósfera de aire: calentamiento desde temperatura ambiente a 1000 ° C a 3 ° C / min, mantenimiento a 1.000 °; C durante 5 horas y enfriar a RT en 3 ° C / min.
   2. Coloque los sustratos de Si recubiertas por inmersión en un barco de alúmina, introducirlo en el horno y ejecutar el tratamiento térmico.
2. Limpieza de las películas cristalizadas.
   1. Sumergir las películas cristalizadas para 3 hr en HNO ₃ concentrado a fin de eliminar las acumulaciones de Sr ²⁺ que han sido expulsadas a la superficie de la película durante la cristalización y luego enjuagar las películas primero con agua desionizada y después con etanol.

Resultados

El progreso de la síntesis material fue controlado mediante el control de diferentes aspectos. Después del proceso de recubrimiento por inmersión se puede observar el aspecto de las películas, la aparición eventual de estructuras de difracción en el lugar reflejada de un láser verde y la microscopía electrónica de barrido (SEM) en el modo de electrones imágenes retrodispersada (Figura 1A-B). Después de que el proceso de cristalización es importante para grabar Microscopí...

Discusión

El método presentado es un enfoque de abajo hacia arriba para producir películas de cuarzo macroporosas en Si. En comparación con el método estándar de producción de películas de cuarzo, una tecnología de arriba hacia abajo basa en corte y pulido de grandes cristales de hidrotérmicamente cultivadas, el método descrito en el protocolo permite la obtención de películas mucho más delgadas con espesores entre 150 y 450 nm que se pueden controlar con el tasa de retiro. Todos los detalles experimentales en materia de control ...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Barnizadora de inmersión	Nadetech	ND-DC 11/150
Horno	Nabertherm	R 50/250/12
Microscopio de Fuerza Atómica	Agilent	5500 LS
Obleas de silicio	SHE Europe Ltd.
SrCl2· 6H2O	Aldrich	13909
CTAB	Aldrich	H5582
Absoluto de etanol	Aldrich	161086
solución HCl 35%	PanReac	721019
TEOS Aldrich	131903