הכנת Macroporous Epitaxial קוורץ סרטים על הסיליקון על ידי פתרון כימי הפקדת

סיכום

פרוטוקול מוצג להכנת סרטים אפיטקסיאליים מקרו-נקבוביים פיזואלקטריים של קוורץ על סיליקון על ידי כימיה של תמיסה באמצעות ציפוי טבילה וטיפולים תרמיים באוויר.

תקציר

עבודה זו מתארת את הפרוטוקול המפורט להכנת סרטי קוורץ אפיטקסיאליים מקרו-נקבוביים פיזואלקטריים על מצעי סיליקון (100). זהו תהליך תלת-שלבי המבוסס על הכנת סול בסינתזה של סיר אחד שלאחריו שקיעה של סרט ג'ל על מצעי Si(100) על ידי הרכבה עצמית המושרה על ידי אידוי בטכניקת ציפוי טבילה ומסתיים בטיפול תרמי של החומר כדי לגרום להתגבשות הג'ל ולצמיחת סרט הקוורץ. היווצרות סיליקה ג'ל מבוססת על תגובה של אורתוסיליקט טטראתיל ומים, המזרזים על ידי HCl, באתנול. עם זאת, התמיסה מכילה שני רכיבים נוספים החיוניים להכנת סרטי קוורץ אפיטקסיאליים מזופוריים מג'ל סיליקה אלה המצופים על Si. יוני אדמה אלקליין, כמו Sr²⁺ פועלים כחומרי התכת זכוכית המאפשרים התגבשות של סיליקה ובשילוב עם תבנית אמפיפילית של צטיל טרימתילאמוניום ברומיד (CTAB) יוצרים הפרדת פאזה האחראית על המקרופורוזיות של הסרטים. ההתאמה הטובה בין הפרמטרים של תאי הקוורץ והסיליקון חיונית גם בייצוב הקוורץ על פני פולימורפים אחרים של SiO₂ והיא במקור הצמיחה האפיטקסיאלית.

מבוא

כאשר חומר פיזואלקטריים כמו α-קוורץ מוגש להטית מתח הוא עובר דפורמציה מכאנית. אם חומר זה הוא נקבובי, שינויי הנפח אלה יכולים להוביל להתרחבות נקבובית או התכווצות, יצירת מערכת מגיבה דומה למה שאפשר לראות בחיים אברונים ביולוגיים. ¹ α-קוורץ נקבובי עיוותים הופק באמצעות microfabrication, ² אבל טכניקות כגון לא יכולה עדיין לייצר מבנים נקבוביות 3-D, וקטרים ​​נקבוביות הם בסדר הגודל של מאות ננומטרים. התגבשות של סיליקה אמורפית המובנה התעכבה בשל התגרענות הומוגניות שנגרמה על ידי אנרגיות גבוהות משטח ועיוות אדריכלית בשל coarsening והתכה. יתר על כן, כיוון שכל הצורות של סיליקה בנויות על SiO ₄ רשתות tetrahedral יציבים מאוד, האנרגיות חופשיות של היווצרות של סיליקה אמורפית, α-קוורץ וSiO ₂ הפולימורפים אחרים הן כמעט שווים במגוון רחב של טמפרטורות, המצאתי ז זה קשה לייצר α-קוורץ כpolymorph יחיד מההתגבשות של ג'ל סיליקה אמורפית. ³ היבט נוסף שהופך קשה יותר ההתגבשות מבוקרת של סיליקה אמורפית המובנה היא קוורץ המציג שיעור נוקלאציה איטי יחסית אבל שיעור צמיחה מהיר ביותר, דיווח בין 10-94 ננומטר / sec. ^4,5 התגרענות איטית בשילוב עם צמיחה מהירה נוטה ליצור גבישים גדולים בהרבה ממבנה nanoporous המקורי, ובכך המורפולוגיה המקורית הולכת לאיבוד. מתכות אלקליות, כגון Na ⁺ וLi ^+, היו בשימוש להתגבש α-קוורץ, לעתים קרובות בשילוב עם טיפול הידרותרמיות. ^5,6 כמו כן, Ti ⁴⁺ / Ca ^{2 +} שילוב הועסק להתגבש חלקיקים כדוריים של סיליקה ל קוורץ על ידי מסלול כימיה רך באמצעות alcoxides סיליקון. ⁷ עם זאת, הגיבוש המבוקר של סרט סיליקה אמורפית מובנה לקוורץ נשאר אתגר.

> לאחרונה, סטרונציום כבר מצא "jove_content" לזרז את ההתגרענות וצמיחה של גבישי SiO ₂ בלחץ הסביבה וטמפרטורות נמוכות יחסית. ^8,9 Epitaxy, נובע מההתאמה החיובית בין α-קוורץ והמצע> סיליקון <100, הפקת סרטים דקים פיזואלקטריים בכיוון. מושרה אידוי הרכבה עצמית להפיק סרטי סיליקה mesoporous כבר בשימוש מאז 1999. ¹⁰ טכניקה זו נחקרה ויושמה למספר רב של סוכני בניית תבנית בתנאים שונים כדי לייצר נקבוביות בגדלים וmesophases משתנים. זה כבר נמצא כי שינויי subnanometric בגודל mesopore יכולים להיות השפעה דרמטית על דיפוזיה מומסת באמצעות מערכות נקבוביות ^11, אימות תשומת לב נרחבת זה להתעמק מבנה. יתר על כן, ניתן להשיג נגישות למערכת הנקבובית סיליקה הפנימית על ידי שליטה על שלב micellar של התבנית. ¹²

כאן, לא מסלול הסינתזהכובע מאפשר שליטה חסרת תקדים על גודל העובי ונקבובי של שכבות סיליקה אמורפית באמצעות הפרדת שלב רומן באה לידי ביטוי. ¹³ סרטים אלה הסתננו עם (II) מלחי אב ולα-קוורץ המגובש ב 1000 מעלות צלזיוס תחת אוויר בלחץ הסביבה. הגודל הנקבובית retainable באמצעות תהליך התגבשות זה נקבע, ואת ההשפעה של עובי קיר ועובי סרט היא למדה. לבסוף piezoelectricity וdeformability של המערכת הנקבובית הם למדו.

פרוטוקול

1. הכנת סול

1. הכן פתרון של orthosilicate tetraethyl prehydrolyzed (TEOS) היום לפני הכנת סרטי ג'ל במנדף שבאיזון מעבדה ובוחש מגנטי ממוקמים. בשלב זה ובכל רחבי הפרוטוקול ללבוש חלוק מעבדה, כפפות ומשקפי בטיחות.
   1. בכוס 50 מיליליטר המכילה בר ערבוב מגנטי מצופה טפלון שוקל 1.68 גרם של CTAB, להוסיף 48.13 מיליליטר של אתנול ו3.00 מיליליטר של 35% HCl, לכסות את הכוס עם זכוכית שעון ומערבבים עד שהוא נמס לגמרי CTAB.
   2. להוסיף 7.37 מיליליטר של TEOS לdropwise הכוס (בשיעור של כ 1-2 טיפות לשנייה) תוך ערבוב, לכסות את הבקבוק עם כוס שעון ולתת לו לעורר O / N.
2. למחרת, להכין תמיסה מימית 1 M של ^{2 +} Sr. לבצע את זה ואת השלבים הבאים רק לפני הכנת סרטי ג'ל כי פתרון גילאים נוטה מחדש משקעים של מלח Sr.
   1. שוקל 6.6654 גרם של SrCl ₂ · 6H ₂ O לתוך בקבוק נפח 25 מיליליטר.
   2. מוסיף מים ultrapure (למשל, מילי-Q) עד 25 מיליליטר (משיק המניסקוס לסימן הבקבוק) ולסגור את הבקבוק עם מכסה פלסטיק ועדינות לנער את הבקבוק כדי לפזר את כלוריד סטרונציום.
3. הוסף 2 מיליליטר של התמיסה המימית 1 M של Sr ^{2 +} לכוס זכוכית 50 מיליליטר מכילה סול שנותר ערבוב O / N. מערבבים את הפתרון עבור 25 דקות.
4. השלך את השאריות שנוצרו סופו של דבר על פי פרוטוקולי הגנת בטיחות ואיכות סביבה של המעבדה.

2. (100) מצעים ג'ל סרטי הפקדת על Si

1. הכנת מצעים
   1. חותך לוחות Si של כ 2 סנטימטר על 5 סנטימטר מ2 אינץ 'מסוג p (100) פרוסות סיליקון בעובי של 200 מיקרון על ידי ביקוע הרקיק במקביל כיוון או בניצב לדירת הרקיק באמצעות קצה יהלום או קצוות חדים אובייקט. לבצע שלב זה במודעהואנס, למשל ביום שלפני בתצהיר של סרטי ג'ל.
   2. רק לפני התצהיר של ג'לים, לנקות את מצעים עם אתנול ולתת להם יבשים או להשתמש זרימת חנקן או אוויר דחוס כדי להאיץ את הייבוש. לבצע שלב זה בעת שהמתין להשלמת שלב 1.3.
2. מעיל הסרטים. על מנת לקבל מבנה macropore הומוגנית לבצע שלב זה בתנאים של לחות היחסית בין 20% ו -55% ב RT.
   1. להקים רצף ציפוי לטבול. בחר את העמדות הראשוניות וסופיות לוקחים בחשבון את האורך בפועל של לוח Si והרמה של הפתרון בכוס, כך שהלוח הוא לפחות 2 סנטימטרים מעל לרמת הפתרון בעמדת הזינוק ו1 סנטימטר מעל תחתית כוס בסוף הטבילה. להגדיר שתי מהירויות טבילה ונסיגה עד 150 מ"מ / דקה. הגדר את זמן טבילה (זמן בעמדה הסופית) לאפס.
   2. עם השלמת השלב 1.3 מקום הכוס עם כל כךlution בעמדה מרוכזת היטב מתחת ללוח Si התלוי מהזרוע לטבול-coater.
   3. תקן קצה אחד של לוח Si לזרוע לטבול-coater עם קליפ, הבטחת לוח ניצב ככל האפשר ביחס לאופקי.
   4. לבצע את רצף הציפוי לטבול ושחרר את לוח Si מהזרוע לטבול-coater. חזרו על שלבי 2.2.3 ו2.2.4 בלוחות Si נוספים כדי לייצר יותר סרטים, נזהרים שלא להאריך בהכנות אלה מעבר לשעה 1, על מנת להבטיח כי היציבות של הפתרון לא נפגעת.
3. השלך את הפתרונות שכבר נוצרו סופו של דבר על פי פרוטוקולי הגנת בטיחות ואיכות סביבה של המעבדה.

3. ג'ל סרטי התגבשות על ידי טיפול תרמי

1. טיפול תרמי של סרטי ג'ל על Si (100).
   1. תכנית תנור לבצע הטיפול התרמי הבא באווירת אוויר: חימום מRT 1,000 מעלות צלזיוס ב 3 מעלות צלזיוס / דקה, מחזיק ב 1000 °; צלזיוס למשך 5 שעות וקירור לRT ב 3 מעלות צלזיוס / דקה.
   2. מניחים את מצעי Si מצופים לטבול בסירת אלומינה, להציג אותו בתנור ולבצע את הטיפול התרמי.
2. ניקוי של הסרטים מגובשים.
   1. לטבול את הסרטים התגבשו במשך 3 שעות בHNO המרוכז ₃ כדי להסיר את ההצטברויות של Sr ^{2 +} שכבר הוגלו אל פני השטח הסרט במהלך הגיבוש ולאחר מכן לשטוף את הסרטים ראשון עם מים ללא יונים ולאחר מכן עם אתנול.

תוצאות

ההתקדמות של סינתזת החומר נשלטה על ידי ניטור היבטים שונים. לאחר תהליך טבילת ציפוי אחד יכול לראות את ההיבט של הסרטים, את המראה הסופי של מבנים עקיפה בנקודה משתקפת של לייזר ירוק והסריקה מיקרוסקופית אלקטרונים (SEM) תמונות במצב backscattered אלקטרונים (איור 1 א-ב). לאחר תהליך ההתגבשות חשוב להקליט מיקרוסקופית כוח אטומי (AFM) תמונות טופוגרפיות (איור 1 ג) ודמות מוט מתקבלת על ידי קרן ה- X העקיפה של הסרטים שמצביעה על כך שהיחס...

דיון

השיטה שהוצגה היא גישה מלמטה למעלה להפיק סרטי קוורץ macroporous על סי. לעומת השיטה סטנדרטית של הפקת סרטי קוורץ, טכנולוגיה מלמעלה למטה מבוססת על חיתוך וליטוש של גבישים גדולים גדלו hydrothermally, בשיטה המתוארת בפרוטוקול מאפשר קבלת סרטים הרבה יותר רזים עם עובי 150 ו -450 ננומטר בין מה שיכול להיות נשלט עם שיעור נסיגה. כל פרטי הניסוי לגבי השליטה של עובי קוורץ סרטים, ותגובה פיזואלקטריים מדווחים באזכור ^8,13. עוביים של סרטי קוורץ מתקבלים על ידי שיטה סטנדרטית לא יכולים להיות מתח...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
ציפוי מטבל	Nadetech	ND-DC 11/150
תנור	Nabertherm	R 50/250/12
מיקרוסקופ כוח אטומי	זריז	פרוסות סיליקון 5500 LS
	SHE אירופה בע"מ
SrCl2· 6H2O	Aldrich	13909
CTAB	Aldrich	H5582
אתנול אבסולוט	תמיסת Aldrich	161086
HCl 35%	PanReac	721019
TEOS	Aldrich	131903