Preparazione di macroporosi Epitassiali Films quarzo su silicio da Solution Chemical Deposition

Sommario

Viene presentato un protocollo per la preparazione di film epitassiali macroporosi piezoelettrici di quarzo su silicio mediante chimica in soluzione utilizzando il rivestimento per immersione e trattamenti termici in aria.

Abstract

Questo lavoro descrive il protocollo dettagliato per la preparazione di film di quarzo epitassiale macroporoso piezoelettrico su substrati di silicio (100). Si tratta di un processo in tre fasi basato sulla preparazione di un sol in una sintesi one-pot che è seguito dalla deposizione di un film di gel su substrati di Si(100) mediante autoassemblaggio indotto dall'evaporazione utilizzando la tecnica del dip-coating e termina con un trattamento termico del materiale per indurre la cristallizzazione del gel e la crescita del film di quarzo. La formazione di un gel di silice si basa sulla reazione di un ortosilicato tetraetile e dell'acqua, catalizzata dall'HCl, in etanolo. Tuttavia, la soluzione contiene due componenti aggiuntivi che sono essenziali per la preparazione di film di quarzo epitassiale mesoporoso da questi gel di silice rivestiti per immersione su Si. Gli ioni alcalino terrosi, come Sr²⁺, agiscono come agenti di fusione del vetro che facilitano la cristallizzazione della silice e, in combinazione con il modello anfifilico di cetil trimetilammonio bromuro (CTAB), formano una separazione di fase responsabile della macroporosità dei film. La buona corrispondenza tra i parametri della cella di quarzo e silicio è anche essenziale nella stabilizzazione del quarzo su altri polimorfi SiO₂ ed è all'origine della crescita epitassiale.

Introduzione

Quando un materiale piezoelettrico come α-quarzo viene sottoposto ad una polarizzazione di tensione subisce una deformazione meccanica. Se questo materiale è poroso, queste variazioni di volume possono portare all'espansione dei pori o la contrazione, creando un sistema di risposta simile a quello che si può osservare nel vivere organelli biologici. ¹ deformabile α-quarzo poroso è stato prodotto utilizzando microfabbricazione, ² ma queste tecniche non possono ancora produrre strutture pori 3-D, e diametri dei pori sono dell'ordine di centinaia di nanometri. Cristallizzazione di strutturato silice amorfa è stato ostacolato da nucleazione disomogenea causata da energie superficiali elevate e deformazione architettonico a causa di grossolani e fusione. Inoltre, dal momento che tutte le forme di silice sono costruiti su estremamente stabili SiO _{4 reti} tetraedrici, le energie libere di formazione di silice amorfa, α-quarzo e altri SiO ₂ polimorfi sono quasi uguali in un ampio intervallo di temperature, making è difficile produrre α-quarzo come un singolo polimorfo dalla cristallizzazione di un gel di silice amorfa. ³ Un altro aspetto che rende difficile la cristallizzazione controllata di strutturato silice amorfa è che il quarzo presenta una velocità di nucleazione relativamente lento ma un tasso di crescita estremamente veloce, riportati tra 10-94 nm / sec. ^4,5 lenta nucleazione accoppiato con rapida crescita tende a generare cristalli molto più grandi rispetto alla struttura nanoporoso originale, così la morfologia originaria viene persa. Metalli alcalini, quali Na ⁺ e Li ^+, sono stati utilizzati per cristallizzare α-quarzo, spesso in combinazione con il trattamento idrotermico. ^5,6 Inoltre, un legame Ti ⁴⁺ / Ca ²⁺ combinazione è stata impiegata per cristallizzare particelle sferiche di silice nella quarzo per una via chimica morbido utilizzando alcossidi di silicio. ^7, tuttavia, la cristallizzazione controllata di una pellicola strutturata silice amorfa in quarzo è rimasta una sfida.

Recentemente, stronzio è stato trovato per catalizzare la nucleazione e la crescita di cristallina SiO ₂ sotto pressione ambiente e temperature relativamente basse. ^8,9 epitassia, nasce dalla mancata corrispondenza tra α-favorevole quarzo e il substrato <100> silicio, la produzione di film sottili piezoelettrici orientati. È stato usato per evaporazione indotta autoassemblaggio di produrre film di silice mesoporosa dal 1999. ¹⁰ Questa tecnica è stata studiata e applicata ad una moltitudine di templanti in varie condizioni per produrre pori di dimensioni e mesophases variabili. Si è trovato che le variazioni di dimensione mesopore subnanometric possono avere un effetto drammatico sul soluto diffusione attraverso sistemi porosi ^11, convalidando questa grande attenzione alla struttura dei pori. Inoltre, l'accessibilità al sistema dei pori di silice interno può essere ottenuta controllando la fase micellare del modello. ¹²

Qui, la via di sintesi tcappello permette un controllo senza precedenti sullo spessore e dimensione dei pori di strati di silice amorfa con una separazione di fase romanzo è dimostrata. ¹³ Questi film sono infiltrati con (II) sali Sr e cristallizzato ad a-quarzo a 1000 ° C sotto aria a pressione ambiente. La dimensione dei pori retainable utilizza questo processo di cristallizzazione è determinata, e l'effetto dello spessore della parete e spessore del film è studiato. Infine la piezoelettricità e la deformabilità del sistema di pori sono studiati.

Protocollo

1. Preparazione del sol

1. Preparare una soluzione di prehydrolyzed tetraetilortosilicato (TEOS) il giorno prima della preparazione dei film di gel in una cappa aspirante in cui una bilancia da laboratorio e un agitatore magnetico sono vincolate. In questa fase e in tutto il protocollo indossare un camice da laboratorio, guanti e occhiali di protezione.
   1. In un bicchiere da 50 ml contenente un agitatore magnetico rivestito di Teflon pesare 1,68 g di CTAB, aggiungere 48,13 ml di etanolo e 3,00 ml di HCl 35%, coprire il becher con un vetro d'orologio e mescolare fino a quando il CTAB è completamente sciolto.
   2. Aggiungere 7,37 ml di TEOS alla goccia a goccia bicchiere (ad una velocità di circa 1-2 gocce al secondo), agitando, coprire il recipiente con un vetro da orologio e lasciarlo mescolare O / N.
2. Il giorno successivo, preparare una soluzione acquosa 1 M di ²⁺ Sr. Eseguire questa e le seguenti operazioni appena prima della preparazione dei film gel perché una soluzione invecchiato è incline a ri-precipitazione del sale Sr.
   1. Pesare 6.6654 g di SRCL ₂ · 6H _{2 O} in un pallone tarato da 25 ml.
   2. Aggiungere ultrapura acqua (ad esempio, Milli-Q) fino a 25 ml (menisco tangente al contrassegno pallone) e chiudere il pallone con un tappo di plastica e agitare delicatamente il pallone sciogliere il cloruro di stronzio.
3. Aggiungere 2 ml della soluzione acquosa 1 M di Sr ²⁺ al bicchiere di vetro da 50 ml contenente sol che è stato lasciato sotto agitazione O / N. Agitare la soluzione per 25 min.
4. Smaltire i residui che sono stati alla fine generati secondo i protocolli del laboratorio di tutela della sicurezza e dell'ambiente.

2. Gel deposizione di film su Si (100) Substrati

1. Preparazione dei substrati
   1. Tagliare Si lastre di circa 2 cm per 5 cm su un 2 pollici di tipo p (100) wafer di silicio con uno spessore di 200 micron, con l'adesione del wafer in una direzione parallela o perpendicolare al piano wafer con una punta di diamante o di un oggetti taglienti. Eseguire questo passaggio a annunciovance, per esempio il giorno prima della deposizione dei film di gel.
   2. Appena prima della deposizione dei gel, pulire i substrati con etanolo e lasciare asciugare o utilizzare un flusso di azoto o aria compressa per accelerare l'asciugatura. Eseguire questo passaggio in attesa del completamento della fase 1.3.
2. Cappotto film. Al fine di ottenere una struttura omogenea macropori eseguire questo passaggio in condizioni di umidità relativa tra il 20% e il 55% a temperatura ambiente.
   1. Stabilire una sequenza di rivestimento per immersione. Selezionare le posizioni iniziale e finale, tenendo conto della lunghezza effettiva della lastra Si e il livello della soluzione nel beaker in modo che la lastra è di almeno 2 cm sopra il livello della soluzione nella posizione di partenza e 1 cm dal fondo della beaker al termine dell'immersione. Impostare sia le immersione e di prelievo velocità a 150 mm / min. Impostare il tempo di immersione (tempo alla posizione finale) a zero.
   2. Al termine della fase di 1,3 posto il bicchiere con il modoluzione in una posizione ben centrata sotto la lastra Si appeso al braccio dip-dispositivo a induzione.
   3. Fissare un'estremità della lastra Si al braccio dip-coater con la clip, assicurando la lastra è più possibile perpendicolare rispetto all'orizzontale.
   4. Eseguire la sequenza di dip coating e sganciare la lastra Si dal braccio dip-dispositivo a induzione. Ripetere i punti 2.2.3 e 2.2.4 con l'aggiunta di lastre di silicio per produrre più film, facendo attenzione a non estendere questi preparati oltre 1 ora, per assicurare che la stabilità della soluzione non è compromessa.
3. Smaltire le soluzioni che sono state alla fine generati secondo i protocolli del laboratorio di tutela della sicurezza e dell'ambiente.

3. Gel Film cristallizzazione mediante trattamento termico

1. Trattamento termico dei film di gel su Si (100).
   1. Programma un forno per eseguire il seguente trattamento termico in atmosfera di aria: riscaldamento da RT a 1.000 ° C a 3 ° C / min, tenendo a 1.000 °; C per 5 ore e raffreddamento a RT a 3 ° C / min.
   2. Posizionare i dip Si substrati rivestiti in barca allumina, introdurlo nel forno ed eseguire il trattamento termico.
2. Pulizia dei film cristallizzati.
   1. Immergere le pellicole cristallizzati per 3 ore in HNO ₃ concentrato per rimuovere gli accumuli di Sr ²⁺ che sono stati espulsi alla superficie del film durante la cristallizzazione e quindi risciacquare prima con acqua deionizzata e poi il film con etanolo.

Risultati

Il progresso della sintesi materiale è stato controllato dal controllo di diversi aspetti. Dopo il processo di dip-coating si può osservare l'aspetto dei film, l'eventuale comparsa di strutture di diffrazione nel punto riflessa di un laser verde e la microscopia elettronica a scansione (SEM) immagini in modalità retrodiffusi elettroni (Figura 1A-B). Dopo il processo di cristallizzazione è importante registrare Atomic Force Microscopy (AFM) immagini topografiche <...

Discussione

Il metodo presentato è un approccio bottom-up per la produzione di film di quarzo macroporose su Si. Rispetto al metodo standard di produzione di film di quarzo, una tecnologia top-down basato sul taglio e la lucidatura di grandi cristalli idrotermica coltivate, il metodo descritto nel protocollo consente di ottenere film molto più sottili con spessore compreso tra 150 e 450 nm, che possono essere controllati con il tasso di ritiro. Tutti i dettagli sperimentali sul controllo di quarzo film di spessore, e la risposta pi...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Verniciatrice	a immersione Nadetech	ND-DC 11/150
Forno	Nabertherm	R 50/250/12
Microscopio a forza atomica	Agilent	5500 LS
Wafer di silicio	SHE Europe Ltd.
SrCl2· 6H2O	Aldrich	13909
CTAB	Aldrich	H5582
Etanolo Assoluto	Aldrich	161086
HCl 35% soluzione	PanReac	721019
TEOS	Aldrich	131903