Préparation de macroporeuses Épitaxial Quartz Films de silicium par dépôt chimique Solution

Résumé

Un protocole est présenté pour la préparation de films épitaxiaux macroporeux piézoélectriques de quartz sur silicium par chimie de solution par trempage et traitements thermiques dans l’air.

Résumé

Ce travail décrit le protocole détaillé de préparation de films de quartz épitaxial macroporeux piézoélectriques sur des substrats de silicium(100). Il s’agit d’un procédé en trois étapes basé sur la préparation d’un sol dans une synthèse en un seul pot, qui est suivie du dépôt d’un film de gel sur des substrats Si(100) par auto-assemblage induit par évaporation à l’aide de la technique de dip-coating, et se termine par un traitement thermique du matériau pour induire la cristallisation du gel et la croissance du film de quartz. La formation d’un gel de silice est basée sur la réaction d’un orthosilicate tétraéthyle et de l’eau, catalysée par le HCl, dans l’éthanol. Cependant, la solution contient deux composants supplémentaires qui sont essentiels pour la préparation de films de quartz épitaxial mésoporeux à partir de ces gels de silice enduits par trempage sur Si. Les ions alcalino-terreux, comme le Sr²⁺, agissent comme des agents de fusion du verre qui facilitent la cristallisation de la silice et, en combinaison avec le bromure de cétyle triméthylammonium (CTAB), la matrice amphiphile forme une séparation de phase responsable de la macroporosité des films. La bonne adéquation entre les paramètres des cellules de quartz et de silicium est également essentielle dans la stabilisation du quartz par rapport aux autres polymorphes de SiO₂ et est à l’origine de la croissance épitaxiale.

Introduction

Quand un matériau piézoélectrique comme α-quartz est soumis à une tension de polarisation il subit une déformation mécanique. Si ce matériau est poreux, ces changements de volume peuvent conduire à l'expansion des pores ou de contraction, la création d'un système sensible similaire à ce qui peut être observé à vivre organites biologiques. ¹ déformable poreuse α-quartz a été produite en utilisant la microfabrication, ^{2, mais} ces techniques ne peuvent pas encore produire des structures de pores 3-D, et des diamètres de pores sont de l'ordre de plusieurs centaines de nanomètres. La cristallisation de la silice amorphe structuré a été entravée par la nucléation inhomogène causée par les énergies de surface élevées et la déformation architecturale due à grossissement et la fusion. De plus, comme toutes les formes de silice sont construits sur des réseaux SiO ₄ tétraédriques extrêmement stables, les énergies libres de formation de la silice amorphe, du quartz α-SiO ₂ et d'autres formes polymorphes sont à peu près égales dans une gamme étendue des températures, Making, il est difficile de produire des α-quartz comme une seule polymorphe de la cristallisation d'un gel de silice amorphe. ³ Un autre aspect qui rend plus difficile la cristallisation contrôlée de silice amorphe structurée est que le quartz présente une vitesse de nucléation relativement lente, mais un taux de croissance extrêmement rapide, rapporté entre 10-94 nm / s. ^4,5 nucléation lente couplée à la croissance rapide tend à générer des cristaux beaucoup plus grande que la structure nanoporeuse original, donc la morphologie d'origine est perdue. Les métaux alcalins, tels que Na ⁺ et ^Li +, ont été utilisés pour cristalliser α-quartz, souvent en combinaison avec un traitement hydrothermique. ^5,6 En outre, un ^Ti4 + / Ca ²⁺ combinaison a été utilisée pour cristalliser des particules sphériques de silice dans quartz par un circuit de chimie douce en utilisant alcoxydes de silicium. ⁷ Toutefois, la cristallisation contrôlée d'un film de silice amorphe structurée en quartz reste un défi.

Récemment, strontium a été trouvé pour catalyser la nucléation et la croissance de SiO ₂ cristallisé sous la pression ambiante et des températures relativement basses. ^8,9 épitaxie, provient de la non-concordance favorable entre α-quartz et le substrat> de silicium <100, produire des films minces piézoélectriques orientés. Induite par évaporation-auto-assemblage pour produire des films de silice mésoporeuse a été utilisé depuis 1999. ¹⁰ Cette technique a été étudié et appliqué à une multitude d'agents servant de modèle dans diverses conditions pour produire des pores de tailles et de mésophases variables. Il a été constaté que les changements dans la taille de subnanométriques mésopore peuvent avoir un effet dramatique sur la diffusion de soluté à travers des systèmes poreux ^11, validant cette grande attention à la structure de pore. De plus, l'accessibilité au réseau de pore interne de silice peut être obtenue en commandant la phase micellaire de la matrice ^12.

Ici, la voie de synthèse tchapeau permet un contrôle sans précédent sur ​​la taille de l'épaisseur et des pores de couches de silice amorphe en utilisant une nouvelle séparation de phase est mise en évidence. ¹³ Ces films sont infiltrés avec des sels de Sr (II) et cristallisé à l'a-quartz à 1000 ° C sous air à la pression ambiante. La taille de pores capable de retenir à l'aide de ce processus de cristallisation est déterminée, et l'effet de l'épaisseur de paroi et l'épaisseur du film est étudiée. Enfin la piézo-électricité et la déformabilité du système de pores sont étudiés.

Protocole

1. Préparation du Sol

1. Préparer une solution d'orthosilicate de tétraéthyle préhydrolysé (TEOS), le jour avant la préparation des films de gel dans une hotte de laboratoire dans lequel une balance de laboratoire et d'un agitateur magnétique sont placés. Dans cette étape et dans le protocole de porter une blouse de laboratoire, des gants et des lunettes de sécurité.
   1. Dans un bécher de 50 ml contenant une barre d'agitation magnétique revêtu de Téflon pèse 1,68 g de CTAB, ajouter 48,13 ml d'éthanol et 3,00 ml de HCl 35%, couvrir le bécher avec un verre de montre et mélanger jusqu'à ce que le CTAB est complètement dissous.
   2. Ajouter 7,37 ml de TEOS goutte à goutte au bécher (à un taux d'environ 1-2 gouttes par seconde) tout en remuant, couvrir le ballon avec un verre de montre et laisser remuer O / N.
2. Le lendemain, préparer une solution aqueuse 1 M de Sr ^2+. Effectuer cette les étapes suivantes et juste avant la préparation des films de gel, car une solution vieillie est sujette à re-précipitation du sel Sr.
   1. Peser 6,6654 g de _SrCl2 · 6H _{2 O} dans une fiole jaugée de 25 ml.
   2. Ajouter de l'eau ultra-pure (par exemple, Milli-Q) à 25 ml (ménisque tangente à la marque de ballon) et boucher la fiole avec un bouchon en plastique et secouez doucement le flacon pour dissoudre le chlorure de strontium.
3. Ajouter 2 ml de la solution aqueuse 1 M de ^Sr 2+ dans le bêcher en verre de 50 ml contenant le sol qui a été laissé sous agitation O / N. Agiter la solution pendant 25 min.
4. Eliminer les résidus qui ont été éventuellement générés selon les protocoles de protection sécurité et d'environnement du laboratoire.

2. Gel Film dépôt sur Si (100) Supports

1. Préparation des substrats
   1. Couper plaques de silicium de l'ordre de 2 cm par 5 cm, sur un type p de 2 pouces (100) plaquette de silicium d'une épaisseur de 200 microns par clivage de la plaquette dans une direction parallèle ou perpendiculaire à la plate de la plaquette à l'aide d'une pointe de diamant ou une objet tranchant. Effectuez cette étape dans l'annonceVance, par exemple le jour avant le dépôt des films de gel.
   2. Juste avant le dépôt des gels, nettoyer les substrats avec de l'éthanol et les laisser sécher ou utiliser un flux d'azote ou de l'air comprimé pour accélérer le séchage. Effectuez cette étape en attendant l'achèvement de l'étape 1.3.
2. Enduire les films. Afin d'obtenir une structure de macropores homogène effectuer cette étape dans des conditions d'humidité relative entre 20% et 55% à température ambiante.
   1. Établir une séquence de revêtement par immersion. Sélectionner des positions initiales et finales en tenant compte de la longueur réelle de la dalle de Si et le niveau de la solution dans le bécher de sorte que la dalle est d'au moins 2 cm au-dessus du niveau de la solution à la position de départ et de 1 cm au-dessus du fond de la bêcher à la fin de l'immersion. Réglez les deux vitesses d'immersion et de retrait à 150 mm / min. Réglez le temps d'immersion (de temps à la position finale) à zéro.
   2. À l'issue de l'étape 1.3 Placer le bécher avec le soilution dans une position bien centrée sous la dalle Si accroché au bras dip-coucheuse.
   3. Fixer une extrémité de la dalle Si au bras immersion cathodique avec le clip, assurant la dalle est aussi perpendiculairement que possible par rapport à l'horizontale.
   4. Exécuter la séquence de revêtement par immersion et déclipser la dalle Si du bras dip-coucheuse. Répétez les étapes 2.2.3 et 2.2.4 avec dalles Si supplémentaires pour produire plus de films, en prenant soin de ne pas prolonger au-delà de ces préparations 1 h, pour assurer que la stabilité de la solution ne soit pas compromise.
3. Jeter les solutions qui ont été éventuellement générés selon les protocoles de protection sécurité et d'environnement du laboratoire.

3. Gel Film cristallisation par traitement thermique

1. Traitement thermique des films de gel de Si (100).
   1. Programme d'un four pour effectuer le traitement thermique suivant dans une atmosphère d'air: chauffage de la température ambiante à 1 000 ° C à 3 ° C / min, maintien à 1000 °; C pendant 5 heures et refroidissement à TA à 3 ° C / min.
   2. Placez les substrats de Si revêtus par immersion dans une nacelle en alumine, l'introduire dans le four et exécuter le traitement thermique.
2. Nettoyage des films cristallisées.
   1. Plonger les films cristallisés pendant 3 heures dans HNO ₃ concentré afin d'éliminer les accumulations de Sr ²⁺ qui ont été expulsés à la surface du film lors de la cristallisation, puis rincez les films d'abord avec de l'eau déminéralisée, puis avec de l'éthanol.

Résultats

Le déroulement de la synthèse matériau a été contrôlée par la surveillance des aspects différents. Après le processus de revêtement par immersion, on peut observer l'aspect des films, l'apparition éventuelle de structures de diffraction dans le spot réfléchie d'un laser vert et de la microscopie électronique à balayage (MEB) des images en mode rétrodiffusion des électrons (figure 1A-B). Après le processus de cristallisation, il est important d'enregistrer...

Discussion

La méthode présentée est une approche bottom-up pour produire des films de quartz macroporeuses sur Si. Par rapport à la méthode standard de production de films de quartz, une technologie de haut en bas basé sur la coupe et le polissage de gros cristaux hydrothermique cultivées, la méthode décrite dans le protocole permet d'obtenir des films beaucoup plus minces avec des épaisseurs comprises entre 150 et 450 nm, qui peuvent être contrôlées avec le le taux de retrait. Tous les détails expérimentaux concernant le cont...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Coucheuse par immersion	Nadetech  ;	ND-DC 11/150  ;
Four	Nabertherm  ;	R 50/250/12
Microscope à force atomique	Agilent  ;	5500 LS
Plaquettes de silicium	SHE Europe Ltd.
SrCl2· ; 6H2O	Aldrich	13909
CTAB	Aldrich	H5582
Éthanol Absolu  ;	Aldrich	161086
HCl 35 % solution	PanReac	721019
TEOS	Aldrich	131903