מאמר שיטה

צמיחה ללא גרעינים של מערך ביסמוט Nanowire באמצעות אידוי תרמי אבק

8.1K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/53396

⸱

21 בדצמבר 2015

 ,  , 
1Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory

במאמר זה

סיכום

מוצג פרוטוקול לגידול ללא זרעים ותשואה גבוהה של מערכי ננו-חוטים ביסמוט באמצעות טכניקת אידוי תרמי ואקום.

תקציר

הנה טכניקה ללא גרעינים וללא תבנית מוכחת לscalably לגדול ננו-חוטים ביסמוט, באמצעות אידוי תרמי בואקום גבוה ב RT. מקובל שמורות עבור הייצור של סרטי מתכת דקים, פיקדונות אידוי תרמיים ביסמוט למערך של ננו-חוטים גבישים יחידים האנכיים על סרט שטוח דק של ונדיום שנערך ב RT, אשר מופקד על ידי טרי המקרטעת magnetron או אידוי תרמית. על ידי שליטה על הטמפרטורה של מצע הגידול לאורכה ורוחבה של ננו-חוטים יכולים להיות מכוון על פני טווח רחב. אחראי על טכניקה חדשנית זו היא מנגנון צמיחת nanowire ידוע קודם לכן כי שורשים בנקבוביים קלה של הסרט הדק ונדיום. הסתנן לתוך הנקבוביות ונדיום, תחומים ביסמוט (~ ננומטר 1) נושאים אנרגיית משטח מוגזמת שמדכאת נקודת ההתכה שלהם ורציפות מגרש מתוך מטריצת נדיום כדי ליצור ננו-חוטים. תגלית זו מוכיחה את ההיתכנות של סינטיסייזר שלב אדי מדרגיesis של טוהר גבוה ננו ללא שימוש בכל זרזים.

מבוא

Nanowires להגביל את התחבורה של נושאי מטען וקוואזי-חלקיקים אחרים, כגון פוטונים וplasmons בממד אחד. בהתאם לכך, ננו-חוטים בדרך כלל תערוכה תכונות חשמליות, מגנטיות, אופטיות וכימיות רומן, שתענקנה להם פוטנציאל כמעט אינסופי עבור יישומים בתחום אלקטרוניקה, פוטוניקה, טכנולוגיות ביו-רפואיות, הקשורים לאיכות סביבה ואנרגיה מיקרו / ננו. 1,2 במהלך שני העשורים האחרונים, רב מלמעלה למטה ומלמטה למעלה גישות פותחו לסינתזת מגוון רחב של ננו-חוטים מתכת או מוליכים למחצה באיכות גבוהה בקנה מידת מעבדה. 3-6 למרות התפתחויות אלו, כל גישה מסתמכת על מאפיינים ייחודיים מסוימים של המוצר הסופי להצלחתה. לדוגמא, השיטה הפופולרית אדים-נוזל-המוצקה (VLS) היא בכושר טוב יותר עבור החומרים המוליכים למחצה שיש לי נקודות היתוך גבוהות יותר וליצור סגסוגת eutectic עם מקביל "זרעים" קטליטי. 7 כתוצאה מכך, הסינתזה של nanowireחומר של עניין מיוחד לא יכול להיות מכוסה על ידי טכניקות קיימות.

כsemimetal עם חפיפה קטנה עקיפה להקה (-38 מופתעים נוכח ב 0 K) ונושאי מטען אור בצורה יוצאת דופן, ביסמוט הוא דוגמא אחת כזו. החומר מתנהג שונה באופן קיצוני בממד מופחת בהשוואה לכמות הגדולה שלה, כמו כליאה קוונטים יכולה להפוך nanowires ביסמוט או דקים סרטים למוליכים למחצה פער פס צרים. 8-12 בינתיים, את פני השטח של צורות ביסמוט מתכת מעין-דו-ממדית כי הוא יותר באופן משמעותי מאשר בתפזורת מתכתית שלה. 13,14 זה היה הראה כי פני השטח של ביסמוט משיג ניידות אלקטרונים של 2 × 10 סנטימטר 4 2 V -1 שניות -1 ותורם מאוד לחימום החשמלי שלה בצורת nanowire. 15 כ כאמור, יש אינטרסים משמעותיים בלימוד nanowires ביסמוט לאלקטרוני ויישומים ובתרמית בפרט. 12-16 עם זאת, בשל יסמוט של נמוך מאודנקודת התכה (544 K) ונכונות לחמצון, זה עדיין מהווה אתגר לסינתזה באיכות גבוהה וננו-חוטים ביסמוט גבישים יחידים באמצעות טכניקות שלב שלב אדים או פתרון מסורתיים.

בעבר, זה כבר דווח על ידי כמה קבוצות שnanowires יסמוט גבישים יחידים לגדול בתשואה נמוכה בתצהיר ואקום של סרט דק ביסמוט, אשר מיוחס לשחרורו של מתח המובנה בסרט. 17-20 לאחרונה, גילינו רומן טכניקה שמבוססת על אידוי התרמית של ביסמוט תחת ואקום גבוה ומובילה להיווצרות של ננו-חוטים להרחבה ביסמוט גבישים יחידים בתשואה גבוהה. 21 השוואה בעבר דיווחה שיטות, התכונה הייחודית ביותר של טכניקה זו היא שמצע הגידול הוא טרי מצופה בשכבה דקה של ונדיום nanoporous לפני יסמוט בתצהיר. במהלך האידוי התרמי של האחרון, אדים ביסמוט חודרים לתוך מבנה nanoporous של ואןסרט וAdium מתעבה שם nanodomains. מאז ונדיום לא רטוב על ידי יסמוט תמצית, תחומים שחדרם הוגלו, לאחר מכן מהמטריצה ​​ונדיום לשחרר אנרגיית פני השטח שלהם. זה הגירוש המתמשך של nanodomains יסמוט שיוצר ננו-חוטים ביסמוט האנכיים. מאז תחומים יסמוט הם רק 1-2 ננומטר בקטרים, הם כפופים לדיכוי נקודת התכה משמעותי, שהופך אותם כמעט מותך על RT. כתוצאה מכך, צמיחת nanowires ממשיכה עם המצע שנערך בRT. מצד השני, כמו ההגירה של תחומים ביסמוט מופעלת תרמית, לאורכה ורוחבה של ננו-חוטים יכולים להיות מכוון על פני טווח רחב פשוט על ידי שליטה על הטמפרטורה של מצע הגידול. פרוטוקול וידאו מפורט זה נועד לעזור למתרגלים חדשים בתחום להימנע מבעיות נפוצות שונות הקשורים בתצהיר אד פיזי של שכבות דקות בואקום גבוה, סביבה נטולת חמצן.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

זהירות: יש להתייעץ בכל גיליונות הנתונים של בטיחות חומרים הרלוונטיים (MSDS) לפני השימוש. ייתכן שיש לי ננו מפגעים נוספים בהשוואה לעמיתו בתפוצה רחבה שלהם. אנא השתמש בכל נהלי הבטיחות המתאימים בעת טיפול במצעים המכוסה nanomaterial, כולל השימוש בפקדי הנדסה (מנדף) וציוד מגן אישי (משקפי מגן, כפפות, מעיל מעבדה, מכנסיים באורך מלאים, ונעליים סגורות).

1. מכין עבודה

  1. הכנת מערכת שיקוע
    1. Vent קאמרי בתצהיר ללחץ אווירה ולפתוח את התא. האוורור נעשה על ידי לחיצה על הכפתור "התחל מחשב אוורור" על ממשק תוכנת שליטה, אשר באופן אוטומטי מתחיל רצף שלפרוק תא לחץ אווירה. כשהגיע לחץ האווירה לפתוח את התא על ידי משיכת דלת Accessing הקדמית.
    2. הר סירת אידוי טונגסטן (אלומינה המצופה) בין זוג אלקטרודות אידוי תרמית. מקום 1כדורי יסמוט גרם לסירה האידוי.
    3. הר יעד המקרטעת ונדיום למקור המקרטעת magnetron. עיין בצעד 1.1.4) למערכת בתצהיר שאינו מצויד במקור המקרטעת.
    4. (לא חובה, למערכת בתצהיר שאינו מצויד במקור המקרטעת) הר סירת אידוי טונגסטן בין זוג אלקטרודות אידוי תרמית. הנח שבלולים ונדיום 0.5 גרם לסירה האידוי.
    5. חבר את המחברים מיני-בננה (שני לחימום / קירור כוח ושתי לבדיקת טמפרטורה) של בקר טמפרטורת לולאה הסגור למוזנים החשמליים של המערכת בתצהיר.
  2. הכנת מצעי גידול
    הערה: ההיווצרות של ננו-חוטים ביסמוט היא רגישה למצע הגידול של בחירה. תוצאות דומות התקבלו משקופיות זכוכית, פרוסות סיליקון, או מתכת. מומלץ על ידי הסופרים שהמצע יש לנקות מייד לפני האדיםתהליך הדחה, על מנת להשיג הידבקות של underlayer נדיום עקבית. טכניקות ניקוי מצע שונות, כוללים ניקוי פלזמה וניקוי כימי רטוב, ניתן ליישם ולהוביל לתוצאות דומות.
    1. ניקוי מצעי גידול על ידי פלזמה חמצן
      1. מניחים את מצעי גידול לשואב פלזמה ולשאוב את התא, על ידי לחיצה על "VAC על" כפתור, ללחץ בסיסה של 10 mTorr.
      2. פתח את שסתום גז החמצן ולהציג את גז חמצן לתא על ידי לחיצה על "הגז" כפתור בלוח הקדמי ולהתאים את קצב הזרימה על ידי לחיצה על "אינקר" והכפתורים "DECR" לשליטת גז קצב זרימה כדי לשמור על לחץ קאמרי mTorr של כ -100.
      3. הגדר את כוח הפלזמה ב 20 W על ידי לחיצה על "אינקר" והכפתורים "DECR" לשליטת כוח ולהצית את הפלזמה על ידי לחיצה על "RF על" כפתור.
      4. מתן 5 דקות לפני כיבוי הפלזמה על ידי לחיצה על "; RF ON ". כפתור Vent התא על ידי לחיצה על הכפתור" לדמם "ולאחזר את מצעים.
    2. ניקוי מצעי גידול בשיטה כימית רטובה
      1. לטבול את מצעי הגידול באצטון הכלולים בכוס. מניחים את הכוס לultrasonicator וsonicate 2 דקות בכח המרבי.
      2. הסר את מצעים מהכוס ולשטוף אותם עם זרם של אלכוהול מוחלט מבקבוק לשטוף במשך 30 שניות.
      3. ייבש את מצעים בזרם של גז חנקן.
  3. שאיבת מערכת תצהיר טעינה ומצע
    1. הר ההרכבה בקרת טמפרטורת מצע לבעל המצע.
    2. השתמש בקטעי האביב להר מצעי גידול על גבי ההרכבה קרירה / דוד פלטייה.
    3. הר בעל מצע המורכב בשלמות לתוך תא שיקוע, עם מצעים מול המקורות בתצהיר. חבר את הרכיבים מוזני חשמל לקריר Peltier / הרכבה דוד.
    4. סגור את תריס המצע, כדי למנוע בתצהיר מכוון למצע.
    5. להתחיל לשאוב את התא בתצהיר. השאיבה מתבצעת על ידי לחיצה על הכפתור "התחל שאיבת מחשב" על ממשק תוכנת שליטה, אשר באופן אוטומטי מתחיל רצף שלשאוב תא לחץ הבסיס שלה.

2. צמיחה של nanowires ביסמוט

הערה: הניסוי לא זז לשלב הבא עד לחץ הבסיס של החדר בתצהיר הגיע 2 × 10 -6 Torr או מתחת.

  1. בתצהיר של underlayer נדיום
    הערה: שחזור הניסוי הטוב ביותר מושגת כאשר underlayer נדיום הוא שהופקד על ידי השיטה המקרטעת magnetron. בהעדר מקור המקרטעת, שחזור גבוה יכול גם להיות מושגת על ידי הפקדה עדיין underlayer נדיום בשיטת אידוי תרמי, ובלבד שחה המערכת בתצהירלחץ sa נמוך בסיס (≤ 5 × 10 -7 Torr). עיין בצעד 3.1.2 לפרטים.
    1. בתצהיר ונדיום עם מקור המקרטעת magnetron.
      1. התחל זרימת ארגון במקור המקרטעת. קצב זרימה מוגדר 40 SCCM.
      2. להתאים את קצב המהפכה של משאבת turbomolecular ללחץ קאמרי של 2.5 mTorr.
      3. בעוד קאמרי מגיע לחץ המצב היציב שלה בהדרגה, להגדיר את גורמי כיול העובי לQCM. ולנדיום, הצפיפות היא 5.96 גר '/ סנטימטר 3 וZ-הגורם הוא .530.
      4. הפעל את המקור המקרטעת DC ולהגדיר את הכח ב200-250 וו למערכת בתצהיר המופעלת על ידי המחברים, השיעור בתצהיר הוא כ -0.4 / sec בכוח הזה. מבלי לפתוח את תריס המצע, לשמור על המקור פועל במשך 2 דקות.
        הערה: באמצעות צעד זה תחמוצת הילידים במקור נדיום מוסרת, חשיפת פני השטח ונדיום טרי.
      5. פתח את תריס המצע להתחיל depositio נדיוםn. בינתיים, לאפס את העובי המצטבר של QCM לאפס.
      6. המשך בתצהיר עד עובי 20 ננומטר, לכאורה, של מצטבר, לקריאת QCM. סגור את תריס המצע.
      7. בהדרגה להקטין את כוח גמגום לאפס. הפעל את המקור.
      8. לכבות את זרימת הארגון. החזר את משאבת turbomolecular לכח המלא שלו.
    2. (לא חובה, למערכת בתצהיר שאינו מצויד במקור המקרטעת) בתצהיר ונדיום עם מקור אידוי תרמית.
      1. בשל נקודת ההתכה הגבוהה של ונדיום (1,910 מעלות צלזיוס) ואת נכונותה לחמצון, מומלץ כי האידוי התרמי שלה להתנהל בלחץ בסיס של 5 × 10 -7 Torr או נמוך יותר.
      2. הגדר את גורמי כיול העובי לQCM. ולנדיום, הצפיפות היא 5.96 גר '/ סנטימטר 3 וZ-הגורם הוא .530.
      3. הפעל את כוח אידוי אספקת תרמית למקור ונדיום.לאט לאט להגדיל את כוח החימום לסירת טונגסטן עד שבלולים ונדיום להמס.
      4. עם תריס המצע המשיך סגור, להגדיל לאט כוח החימום עד שיעור בתצהיר של 2 / sec מושגת, לקריאת QCM. פתח את תריס המצע להתחיל בתצהיר ונדיום. בינתיים, לאפס את העובי המצטבר של QCM לאפס.
      5. המשך בתצהיר עד עובי לכאורה של 50 ננומטר מצטבר. סגור את תריס המצע.
      6. בהדרגה להקטין את כוח האידוי התרמי לאפס. הפעל את המקור.
  2. בתצהיר של ננו-חוטים ביסמוט
    1. לתצהיר ביסמוט בטמפרטורה מעל או מתחת RT, להגדיר את הערך הרצוי לבקר הטמפרטורה. חכה עד שתגיע לטמפרטורה הרצויה.
    2. הגדר את גורמי כיול העובי לQCM. ביסמוט, הצפיפות היא 9.78 גר '/ סנטימטר 3 וZ-הגורם הוא .790.
    3. הפעל את כוח אידוי תרמית supply למקור ביסמוט. לאט לאט להגדיל את כוח החימום לסירת טונגסטן עד השיעור בתצהיר של 2 / sec מושגת, לקריאת QCM.
    4. פתח את תריס המצע להתחיל בתצהיר ביסמוט. בינתיים, לאפס את העובי המצטבר של QCM לאפס.
    5. המשך בתצהיר עד עובי לכאורה של 50 ננומטר מצטבר. סגור את תריס המצע.
    6. בהדרגה להקטין את כוח האידוי התרמי לאפס. הפעל את המקור.
    7. כבה את אספקת חשמל לקירור / החימום החשמלי התרמי.
    8. Vent קאמרי בתצהיר ללחץ אווירה ולפתוח את התא. אחזר את בעל המצע ולאסוף ננו-חוטים ביסמוט מצעים מכוסים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

תמונות SEM החתך של underlayers נדיום שהוקם על ידי המקרטעת magnetron ושיטות אידוי תרמית מוצגות באיור 2. מיקרוסקופ אלקטרונים סורק תמונות (SEM) מוצגים לnanowires יסמוט נוצר בטמפרטורות מצע שונות (איור 3). המבנה הגבישי של ננו-חוטים ביסמוט נקבע באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM), התאבכות אלקטרונים אזור סלקטיבית (סעד), ועקיפת רנטגן (XRD) מחקרים (איור 4). ניתוח יסודי של ספקטרוסקופיה רנטגן נפיצה אנרגיה מציין כי ננו-חוטים ביסמוט לא ב...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

הצמיחה של ננו-חוטים ביסמוט היא להתנהל במערכת שיקוע פיזית עם לפחות שני מקורות בתצהיר, אחד ביסמוט ואחר ולנדיום. מומלץ שאחד המקורות הוא מקור המקרטעת magnetron, לתצהירו של ונדיום. ואקום גבוה מושגת על ידי משאבות turbomolecular מגובות על ידי גלילה משאבה יבשה. מערכת שיקוע מצויד בmicrobalance גביש קוורץ מכויל (QCM) לניטור בעובי אתר. מערכת שיקוע יש רכיבים מוזנים חשמליים לבקרת טמפרטורת לולאה הסגורה של מצעי הגידול. בקר טמפרטורת חימום מספק חימום / קירור למצע, דרך מודול חימום צלחת הקר...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

לסופרים אין מה לחשוף.

תודות

המחקר מתבצע במרכז לננו-חומרים פונקציונליים, המעבדה הלאומית ברוקהייבן, הנתמך על ידי משרד האנרגיה של ארצות הברית, המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים, תחת חוזה מס. דה-SC0012704.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
ביסמוטסיגמא-אולדריץ'556130מגורען, 99.999%
שבלול ונדיוםאלפא אסאר428293.175  מ"מ (0.125  in) קוטר x 6.35  מ"מ (0.25  ב) אורך, 99.8%
ונדיום מקרטע יעדקורט ג'יי לסקרEJTVXXX253A23.00 אינץ' קוטר x 0.125 אינץ' עובי, 99.5%
אצטוןסיגמא-אולדריץ'179124>99.5%
אתנולאלפא Aesar33361
פרוסותאוניברסיטת סיליקוןעובי 300 מיקרון, (100) כיוון
אפוקסי כסף מילויCircuit WorksCW2400חלקים שרף אפוקסי מוליך
סירת טונגסטן, מצופה אלומינהR. D. MathisS9B-AO-Wלאידוי תרמי ביסמוט
סירת טונגסטןR. D. MathisS4-.015Wלאידוי תרמי ונדיום
RIE פלזמהנורדסון מרץCS-1701
PVD 75 פלטפורמת תצהיר אדיםקורט ג'יי לסקרPEDP75FTCLT001מצויד בשלושה מקורות אידוי תרמיים ומקור מקרטע מגנטרון DC
אחד בקר טמפרטורה תרמו-אלקטריLairdTechMTTC-1410
PT1000 RGDLairdTech340912-01חיישן טמפרטורה עבור MTTC-1410
מודול תרמו-אלקטריLairdTech56910-502
UltrasonicatorCrest Ultrasonicsסוויפ טרו 175
נטול מים שני

מקורות

  1. Hu, J. T., Odom, T. W., Lieber, C. M. Chemistry and physics in one dimension: Synthesis and properties of nanowires and nanotubes. Acc. Chem. Res. 32, 435-445 (1999).
  2. Akimov, A. V., et al. Generation of single optical plasmons in metallic nanowires coupled to quantum dots. Nature. 450, 402-406 (2007).
  3. Thurn-Albrecht, T., et al. Ultrahigh-density nanowire arrays grown in self-assembled diblock copolymer templates. Science. 290, 2126-2129 (2000).
  4. Xia, Y. N., et al. One-dimensional nanostructures: Synthesis, characterization, and applications. Adv. Mater. 15, 353-389 (2003).
  5. Gudiksen, M. S., Lauhon, L. J., Wang, J., Smith, D. C., Lieber, C. M. Growth of nanowire superlattice structures for nanoscale photonics and electronics. Nature. 415, 617-620 (2002).
  6. Yang, P. D., et al. Controlled growth of ZnO nanowires and their optical properties. Adv. Funct. Mater. 12, 323-331 (2002).
  7. Allen, J. E., et al. High-resolution detection of Au catalyst atoms in Si nanowires. Nature Nanotech. 3, 168-173 (2008).
  8. Lin, Y. M., Sun, X. Z., Dresselhaus, M. S. Theoretical investigation of thermoelectric transport properties of cylindrical Bi nanowires. Phys. Rev. B. 62, 4610-4623 (2000).
  9. Isaacson, R. T., Williams, G. A. Alfvén-Wave propagation in solid-state plasmas. III. Quantum oscillations of the Fermi surface of bismuth. Phys Rev. 185, 682-688 (1969).
  10. Sandomirskii, V. B. Quantum size effect in a semimetal film. Sov. Phys. JETP. 25, 101-106 (1967).
  11. Huber, T. E., Nikolaeva, A., Gitsu, D., Konopko, L., Graf, M. J. Quantum confinement and surface-state effects in bismuth nanowires. Physica E. 37, 194-199 (2007).
  12. Black, M. R., Lin, Y. M., Cronin, S. B., Rabin, O., Dresselhaus, M. S. Infrared absorption in bismuth nanowires resulting from quantum confinement. Phys. Rev. B. 65, 2921-2930 (2002).
  13. Hofmann, P. The surfaces of bismuth: Structural and electronic properties. Prog. Surf. Sci. 81, 191-245 (2006).
  14. Huber, T. E., et al. Confinement effects and surface-induced charge carriers in Bi quantum wires. Appl Phys Lett. 84, 1326-1328 (2004).
  15. Huber, T. E., et al. Surface state band mobility and thermopower in semiconducting bismuth nanowires. Phys. Rev. B. 83, 235414-23 (2011).
  16. Dresselhaus, M. S., et al. 23, 129-140 (2003).
  17. Cheng, Y. -T., Weiner, A. M., Wong, C. A., Balogh, M. P., Lukitsch, M. J. Stress-induced growth of bismuth nanowires. Appl Phys Lett. 81, 3248-3250 (2002).
  18. Volobuev, V. V., et al. The mechanism of Bi nanowire growth from Bi/Co immiscible composite thin films. J. Nanosci. Nanotech. 12, 8624-8629 (2012).
  19. Shim, W., et al. On-film formation of Bi nanowires with extraordinary electron mobility. Nano Lett. 9, 18-22 (2009).
  20. Berglund, S. P., Rettie, A. J. E., Hoang, S., Mullins, C. B. Incorporation of Mo and W into nanostructured BiVO4 films for efficient photoelectrochemical water oxidation. Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 7065-7075 (2012).
  21. Liu, M., et al. Surface-Energy Induced Formation of Single Crystalline Bismuth Nanowires over Vanadium Thin Film at Room Temperature. Nano Lett. 14, 5630-5635 (2014).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

X

מאמרים קשורים