Summary
Deze studie presenteert een haalbare procedure voor het synthetiseren van goud dendritische nanoforests op titaniumnitride/silicium substraten. De dikte van goud dendritische nanoforests stijgt lineair binnen 15 min van een synthese reactie.
Abstract
In deze studie, een High-Power impuls magnetron sputteren systeem wordt gebruikt om de vacht van een platte en stevige titaniumnitride (TiN) film op silicium (SI) wafers, en een fluoride-bijgestaan galvanische vervanging reactie (FAGRR) is aangewend voor de snelle en gemakkelijke afzetting van goud dendritische nanoforests (au DNFs) op de TiN/si substraten. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) beelden en energie-dispersieve X-Ray spectroscopie patronen van TiN/si en au DNFs/TiN/si monsters valideren dat het syntheseproces nauwkeurig wordt gecontroleerd. Onder de reactie omstandigheden in deze studie, de dikte van de au DNFs stijgt lineair tot 5,10 ± 0,20 µm binnen 15 minuten van de reactie. Daarom is de werkwijze synthese procedure is een eenvoudige en snelle aanpak voor de voorbereiding van au DNFs/TiN/si composieten.
Introduction
Goud nanodeeltjes hebben karakteristieke optische eigenschappen en gelokaliseerde oppervlakte Plasmon resonanties (LSPRs), afhankelijk van de grootte en de vorm van de nanodeeltjes1,2,3,4. Bovendien kan goud nanodeeltjes aanzienlijk verbeteren plasmonic fotokatalytische reacties5. Dendritische nanoforests gestapeld met behulp van goud nanodeeltjes hebben aanzienlijke aandacht gekregen vanwege hun opmerkelijke specifieke oppervlakken en robuuste LSPR Enhancement6,7,8,9 ,10,11,12,13.
TiN is een zeer hard keramisch materiaal en heeft opmerkelijke thermische, chemische en mechanische stabiliteit. Tin heeft onderscheidende optische eigenschappen en kan worden gebruikt voor plasmonic toepassingen met zichtbare-to-near-infraroodlicht14,15. Onderzoek heeft aangetoond dat TiN kan elektromagnetische veld verbeteringen te produceren, vergelijkbaar met au nanostructures16. De afzetting van koper17 of zilver18,19,20 op tin substraten voor toepassingen is aangetoond. Er zijn echter weinig studies uitgevoerd op au/TiN composietmaterialen voor toepassingen. Shiao et al. hebben onlangs aangetoond potentiële toepassingen van au DNFs/TiN composieten voor fotoelektrochemische cellen21 en chemische degradatie22.
Au kan worden gesynthetiseerd op een TiN substraat met behulp van een FAGRR23. De depositie van au DNFs op TiN is cruciaal in de uitvoering van toepassingen. Deze studie onderzoekt de groei van au DNFs op een TiN-Coated si substraat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. monstervoorbereiding
-
TiN substraat voorbereiding met behulp van een High-Power impuls magnetron sputteren systeem
- Snijd een 4 inch n-type silicium wafer in 2 cm x 2 cm monsters.
- Was de monsters met behulp van aceton, isopropanol, en deioniseerde water.
- Droog ze met behulp van een N2 spray voor 5 min.
- Plaats de gewassen si monsters in een monsterhouder en plaats de monsterhouder in een High-Power impuls magnetron sputteren (HiPIMS) kamer.
- Plaats een titanium doel met een diameter van 4 centimeter op een sputteren kathode.
- Verminder de kamerdruk tot minder dan 8 x 10-6 Torr met behulp van een mechanische pomp en cryopump.
- Gebruik HiPIMS om een TI laag op een silicium wafer deponeren en een TiN laag op de TI laag te deponeren. Zie tabel 1 voor de depositie parameters van Ti-en tin-lagen in HiPIMS.
-
Au niet gefinisht voorbereiding op tin/si substraten
- Plaats 24 mL van een reactie oplossing bestaande uit 10 mM chloroauric zuur (HAuCl4) en gebufferde oxide-ETS-oplossing bestaande uit 11,4% NH4F en 2,3% HF in een teflon container van 5 cm x 5 cm x 5 cm.
- Dompel de substraten in de mengsel oplossing voor 3 min.
- Verwijder het monster en was het met behulp van deioniseerde water.
- Droog het monster met behulp van de N2 spray en vervolgens Incubeer het bij 120 °c voor 5 min te verkrijgen au DNFs/tin/si monsters.
- Herhaal de au gefinisht voorbereiding 10x.
2. monsteronderzoek
-
Scanning elektronenmicroscopie analyses
- Snijd het monster in 0,4 cm x 0,8 cm met een Tungsten pen, en maak het schoon met behulp van de N2 spray.
- Jas een dun PT film op het monster door een ion sputter coater voor 50 s.
- Plaats het voor bereide monster in een Scanning Electron microscopie (SEM)-instrument.
- Verkrijg SEM beelden door de Scanning elektronenmicroscoop en gedrag elementanalyse21,22.
-
X-Ray diffractie analyses
- Plaats het monster in een X-Ray diffractie (XRD) instrument.
- Verkrijg XRD patronen21,22.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 1 toont beelden van de au DNFs/tin/si sample preparaten. Het silicium wafeltje was zilverachtig wit (Figuur 1a). TiN/si was gouden geel en had een homogene oppervlakte (cijfer 1B), wat op de eenvormige tin deklaag op het silicium wafeltje wees. Au DNFs/TiN/si was geelachtig bruin en minder homogeen op het oppervlak (figuur 1c) als gevolg van de willekeurige verdeling van au DNFs.
Figuur 2 presenteert het plan en de cross-sectionele SEM beelden van au DNFs gedeponeerd op de tin/si substraten. De TiN laag had een eenvormige oppervlakte (Figuur 2a), en de dikte van de tin laag was ongeveer 300 nm (Figuur 2b). Op 1 min, werden kleine au kernen overal waargenomen (figuur 2c), waarvan sommige ontwikkeld tot een grote kern vergelijkbaar met een zee-egel (figuur 2D). Een enkele boom-achtige structuur werd gevormd op 3 min (figuur 2e, f), en deze vertakking werden waargenomen te overlappen op 5 min (figuur 2g, h). Op 10 min, au DNFs gevormd en bedekt de gehele TiN laag (figuur 2i, j). Op 15 min, dichte au DNFs werden gevormd (figuur 2k), en de dikte van de DNFs bereikt 5 µm (Figuur 2 l).
Figuur 3 toont de energie-Dispersive X-Ray spectroscopie (eds) analyseresultaten van tin/si en au DNFs/tin/si. De aangegeven elementen die met de synthese procedure zijn overeengekomen. Bovendien kon de evidente pieken valideren dat de coating van TiN en de synthese van au DNFs niet verontreinigd waren.
Figuur 4 illustreert de variatie van de dikte van de au DNFs op het tin/si substraat met FAGRR tijd. De dikte van de au DNFs steeg lineair met synthese tijd. De lineaire vergelijking op de dikte en synthese tijd, die varieerde van 1 tot 15 min, werd als volgt uitgedrukt: y = 0,296t + 0,649.
Figuur 5 toont de XRD patronen van monsters verkregen door verschillende depositie tijden. Een sterke (111) oriëntatie van de au Peaks werd geïdentificeerd. De scherpe kubieke au patronen, au (111), au (200), au (220), en au (311), overeengekomen met JCPDS 04-0784. De toename van de au pieken met de depositie tijd correspondeerde met de groei van au DNFs op het TiN/si substraat. Aan de andere kant, TiN pieken, namelijk TiN (111), TiN (200), TiN (220), en TiN (311), waren duidelijk op 1 min depositie, in overeenstemming met JCPDS 38-1420. Na 1 minuut verdween de signalen van TiN geleidelijk, omdat het TiN/si-substraat geleidelijk werd gedekt door au DNFs. Deze XRD resultaten beantwoordden aan vorige rapporten21,22.
| Substraat | DC Power W |
De duur van de impuls (µs) | Debiet van AR (SCCM) | Debiet van N2 (SCCM) |
| TI laag | 250 | 90 | 20 | - |
| TiN laag | 300 | 1000 | 30 | 1,5 |
Tabel 1: voorwaarden voor de voorbereiding van Ti en tin. HiPIMS parameters voor de afzetting van Ti en TiN lagen op een silicium wafer.
Figuur 1: sample verschijning. Voorbereiding van een 2 cm x 2 cm monster van (a) een silicium wafer, (b) tin/si, en (c) au DNFs/tin/si. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: SEM foto's van monsters. De SEM overhead en cross-section standpunten van au DNFs neergelegd op de TiN/si substraten op (a en b) 0 min; (c en d) 1 min; (e en f) 3 min; (g en h) 5 min; (i en j) 10 min; (k en l) 15 min. gelieve hier te klikken om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: elementaire analyse. EDS spectrum van (a) tin/si en (b) au DNFs/tin/si. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: au GEfinisht dikte. De dikte van au DNFs op TiN/si substraat op verschillende synthese tijden (n = 10) Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: XRD patronen van monsters. XRD patronen van au DNFs op TiN/si substraat op verschillende synthese tijden. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In deze studie, au DNFs met meerdere Branch maten werden versierd op het oppervlak van TiN/si met behulp van FAGRR. De afzetting van de au DNFs zou direct kunnen worden geïdentificeerd door een significante verandering in kleur. De dikte van de au DNFs op TiN/si steeg tot 5,10 ± 0,20 µm binnen 15 min, en deze verhoging van de dikte kan worden uitgedrukt met behulp van de volgende lineaire vergelijking: y = 0,296t + 0,649, waar de tijd varieerde van 1 tot 15 min.
In FAGRR, de metalen afzetting wordt beïnvloed door de samenstelling en de pH van de oplossing23. Het depositie tarief stijgt met de dichtheid van substraat oppervlakte tekorten. De dikte van de TiN laag daalt naarmate de vervangings reactietijd toeneemt. Het is gemakkelijk om au DNFs te verwijderen uit de TiN/si substraten als de dikte van au DNFs is dik genoeg.
De galvanische verplaatsings reactie is gunstiger voor een metaal met een hoger redoxpotentieel23. In deze studie biedt het voorgestelde vlotte en snelle depositieproces een haalbare aanpak voor de voorbereiding van au/tin/si-composieten die als zichtbaar-licht fotokatalysatoren21,22kunnen worden gebruikt. Met hetzelfde protocol is het ook mogelijk om au DNFs te fabriceren op andere substraten, zoals TiN/SiO2/si, tin/Glass, tin/Ito, en tin/FTO, voor toepassingen in de toekomst.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd gesteund door het ministerie van wetenschap en technologie, Taiwan, onder contract aantallen het meest 105-2221-E-492-003-MY2 en het meeste 107-2622-E-239-002-CC3.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acetone | Dinhaw Enterprise Co. Ltd.,Taipei, Taiwan | ||
| Isopropanol | Echo Chemical Co. Ltd., Miaoli, Taiwan | TG-078-000000-75NL | |
| Buffered Oxide Etch | Uni-onward Corp., Hsinchu, Taiwan | UR-BOE-1EA | |
| Chloroauric Acid | Alfa Aesar., Heysham, United Kingdom | 36400.03 | |
| N-Type Silicon Wafer | Summit-Tech Company, Hsinchu, Taiwan | ||
| High-Power Impulse Magnetron Sputtering System (HiPIMS) | Melec GmbH, Germany | SPIK2000A | |
| Scanning Electron Microscope (SEM) | JEOL, Japan | JSM-7800F | |
| Ion Sputter Coater | Hitachi, Japan | E-1030 | |
| X-Ray Diffractometer (XRD) | PANalytical, The Netherlands | X'Pert PRO MRD |
References
- Nehl, C. L., Hafner, J. H. Shape-dependent plasmon resonances of gold nanoparticles. Journal of Materials Chemistry. 18 (21), 2415-2419 (2008).
- Auguié, B., Barnes, W. L. Collective resonances in gold nanoparticle arrays. Physical Review Letters. 101 (14), 143902 (2008).
- Sakai, N., Fujiwara, Y., Arai, M., Yu, K., Tatsuma, T. Electrodeposition of gold nanoparticles on ITO: Control of morphology and plasmon resonance-based absorption and scattering. Journal of Electroanalytical Chemistry. 628 (1-2), 7-15 (2009).
- Shiao, M. H., Lai, C. P., Liao, B. H., Lin, Y. S. Effect of photoillumination on gold-nanoparticle-assisted chemical etching of silicon. Journal of Nanomaterials. 2018, 5479605 (2018).
- Ayati, A., et al. Photocatalytic degradation of nitrobenzene by gold nanoparticles decorated polyoxometalate immobilized TiO nanotubes. Separation and Purification Technology. 171, 62-68 (2016).
- Huang, T., Meng, F., Qi, L. Controlled synthesis of dendritic gold nanostructures assisted by supramolecular complexes of surfactant with cyclodextrin. Langmuir. 26 (10), 7582-7589 (2009).
- Lahiri, A., Wen, R., Kuimalee, S., Kobayashi, S. I., Park, H. One-step growth of needle and dendritic gold nanostructures on silicon for surface enhanced Raman scattering. CrystEngComm. 14 (4), 1241-1246 (2012).
- Lahiri, A., Wen, R., Kobayashi, S. I., Wang, P., Fang, Y. Unique and unusual pattern demonstrating the crystal growth through bubble formation. Crystal Growth & Design. 12 (3), 1666-1670 (2012).
- Lahiri, A., et al. Photo-assisted control of gold and silver nanostructures on silicon and its SERRS effect. Journal of Physics D: Applied Physics. 46 (27), 275303 (2013).
- Lv, Z. Y., et al. Facile and controlled electrochemical route to three-dimensional hierarchical dendritic gold nanostructures. Electrochimica Acta. 109, 136-144 (2013).
- Dutta, S., et al. Mesoporous gold and palladium nanoleaves from liquid–liquid interface: enhanced catalytic activity of the palladium analogue toward hydrazine-assisted room-temperature 4-nitrophenol reduction. ACS Applied Materials & Interfaces. 6 (12), 9134-9143 (2014).
- Lin, C. T., et al. Rapid fabrication of three-dimensional gold dendritic nanoforests for visible light-enhanced methanol oxidation. Electrochimica Acta. 192, 15-21 (2016).
- Lahiri, A., Kobayashi, S. I. Electroless deposition of gold on silicon and its potential applications. Surface Engineering. 32 (5), 321-337 (2016).
- White, N., et al. Surface/interface analysis and optical properties of RF sputter-deposited nanocrystalline titanium nitride thin films. Applied Surface Science. 292, 74-85 (2014).
- Zhao, J., et al. Surface enhanced Raman scattering substrates based on titanium nitride nanorods. Optical Materials. 47, 219-224 (2015).
- Lorite, I., Serrano, A., Schwartzberg, A., Bueno, J., Costa-Krämer, J. L. Surface enhanced Raman spectroscopy by titanium nitride non-continuous thin films. Thin Solid Films. 531, 144-146 (2013).
- O’Kelly, J. P., et al. Room temperature electroless plating copper seed layer process for damascene interlevel metal structures. Microelectronic Engineering. 50 (1), 473-479 (2000).
- Cesiulis, H., Ziomek-Moroz, M. Electrocrystallization and electrodeposition of silver on titanium nitride. Journal of Applied Electrochemistry. 30 (11), 1261-1268 (2000).
- Wu, Y., Chen, W. C., Fong, H. P., Wan, C. C., Wang, Y. Y. Displacement reactions between metal ions and nitride barrier layer/silicon substrate. Journal of the Electrochemical Society. 149 (5), G309-G317 (2002).
- Koo, H. C., Ahn, E. J., Kim, J. J. Direct-electroplating of Ag on pretreated TiN surfaces. Journal of the Electrochemical Society. 155 (1), D10-D13 (2008).
- Shiao, M. H., et al. Novel gold dendritic nanoflowers deposited on titanium nitride for photoelectrochemical cells. Journal of Solid State Electrochemistry. 22 (10), 3077-3084 (2018).
- Shiao, M. H., Lin, C. T., Zeng, J. J., Lin, Y. S. Novel gold dendritic nanoforests combined with titanium nitride for visible-light-enhanced chemical degradation. Nanomaterials. 8 (5), 282 (2018).
- Carraro, C., Maboudian, R., Magagnin, L. Metallization and nanostructuring of semiconductor surfaces by galvanic displacement processes. Surface Science Reports. 62 (12), 499-525 (2007).
