Summary
Denne studien presenterer en gjennomførbar prosedyre for syntetisere gull dendrittiske nanoforests på titan nitride/silisium underlag. Tykkelsen av gull dendrittiske nanoforests øker lineært innen 15 min av en syntese reaksjon.
Abstract
I denne studien, en høyeffekts impuls magnetron sputtering systemet brukes til å belegge en flat og fast titan nitride (TiN) film på silisium (si) wafere, og en fluor-assistert galvanisk erstatning reaksjon (FAGRR) er ansatt for rask og enkel deponering av gull dendrittiske nanoforests (au DNFs) på tinn/si-underlag. Scanning elektron mikroskopi (SEM) bilder og energi-dispersive X-ray spektroskopi mønstre av TiN/si og au DNFs/TiN/si prøver validere at syntese prosessen er nøyaktig kontrollert. Under reaksjonen forholdene i denne studien, tykkelsen på Au DNFs øker lineært til 5,10 ± 0,20 μm innen 15 min av reaksjonen. Derfor er den sysselsatte syntese prosedyren en enkel og rask tilnærming for å forberede au DNFs/TiN/si kompositter.
Introduction
Gull nanopartikler har karakteristiske optiske egenskaper og lokaliserte overflate Plasmon resonanser (LSPRs), avhengig av størrelsen og formen på nanopartikler1,2,3,4. Videre kan gull nanopartikler betydelig forbedre plasmonic fotokatalytiske reaksjoner5. Dendrittiske nanoforests stablet ved hjelp av gull nanopartikler har fått stor oppmerksomhet på grunn av deres bemerkelsesverdige spesifikke overflateområder og robust LSPR ekstrautstyr6,7,8,9 ,10,11,12,13.
TiN er et ekstremt hardt keramisk materiale og har bemerkelsesverdig termisk, kjemisk og mekanisk stabilitet. TiN har karakteristiske optiske egenskaper og kan brukes til plasmonic applikasjoner med synlig-til-nær-infrarød lys14,15. Forskning har vist at TiN kan produsere elektromagnetiske felt forbedringer, som ligner på Au nanostrukturer16. Deponering av kobber17 eller sølv18,19,20 på tinn underlag for applikasjoner har blitt demonstrert. Men noen studier har blitt utført på Au/TiN kompositt materialer for applikasjoner. Shiao et al. har nylig demonstrert potensielle anvendelser av au DNFs/TiN kompositter for photoelectrochemical celler21 og kjemisk degradering22.
Au kan bli syntetisert på en TiN substrat ved hjelp av en FAGRR23. Den deponering tilstand au DNFs på TiN er avgjørende i utførelsen av programmene. Denne studien undersøker veksten av au DNFs på et TiN-belagt si substrat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. sample forberedelse
-
TiN substrat forberedelse ved hjelp av en høyeffekts impuls magnetron sputtering system
- Skjær en 4 tommers n-type silisium wafer i 2 cm x 2 cm prøver.
- Vask prøvene med aceton, isopropanol og deionisert vann.
- Tørk dem ved hjelp av en N2 spray i 5 min.
- Plasser den vasket si prøvene i en prøve holderen og plasser prøveholderen i en høyeffekts impuls magnetron sputtering (HiPIMS) kammer.
- Plasser en Titan mål med en diameter på 4 inches på en sputtering bilderør.
- Reduser kammer trykket til mindre enn 8 x 10-6 torr ved hjelp av en mekanisk pumpe og cryopump.
- Bruk HiPIMS å sette inn en ti lag på en silisium wafer og sette inn en TiN lag på ti laget. Se tabell 1 for deponering parametere av ti og TiN lag i HiPIMS.
-
Au brutt tilberedning på TiN/si-underlag
- Plasser 24 mL av en reaktant løsning bestående av 10 mM chloroauric syre (HAuCl4) og bufret oksid etsemiddelet løsning bestående av 11,4% NH4F og 2,3% HF i en Teflon-beholder som måler 5 cm x 5 cm x 5 cm.
- Dypp underlaget i blandingen løsningen i 3 min.
- Fjern prøven og vask den ved hjelp av deionisert vann.
- Tørk prøven med N2 spray og ruge den ved 120 ° c i 5 min for å få au DNFs/TiN/si-prøver.
- Gjenta au BRUTT forberedelse 10x.
2. sample eksamen
-
Skanning av elektron mikroskopi analyser
- Skjær prøven i 0,4 cm x 0,8 cm med en wolfram penn, og rengjør den ved hjelp av N2 spray.
- Coat en tynn PT film på prøven ved en ion frese elektrostatisk for 50 s.
- Plasser den forberedte prøven i et skanne elektron mikroskopi (SEM) instrument.
- Skaff deg SEM-bilder ved å skanne elektron mikroskopet og utføre element analyse21,22.
-
X-ray Diffraksjon analyser
- Plasser prøven i et X-ray-Diffraksjon (XRD).
- Skaff deg XRD mønstre21,22.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 avbilder bilder av au DNFs/TiN/si prøve forberedelser. Den silisium wafer var sølvfargede hvit (figur 1a). TiN/si var gyllen gul og hadde en homogen overflate (figur 1B), som indikerte uniform TiN belegg på silisium wafer. Au DNFs/TiN/si var gulaktig brun og mindre homogen på overflaten (figur 1C) på grunn av den tilfeldige fordelingen av au DNFs.
Figur 2 presenterer plan og TVERR ledd SEM bilder av au DNFs avsatt på TiN/si underlag. TiN-laget hadde en ensartet overflate (figur 2a), og tykkelsen på Tin-laget var omtrent 300 NM (figur 2b). På 1 min, ble små au kjerner observert overalt (figur 2C), hvorav noen utviklet seg til en stor kjerne som ligner på en kråke Urchin (figur 2D). En enkelt tre-lignende struktur ble dannet på 3 min (figur 2e, f), og disse forgrening ble observert å overlappe på 5 min (figur 2g, h). På 10 min, Au DNFs dannet og dekket hele TiN laget (figur 2i, j). På 15 min, var tett au DNFs dannet (figur 2k), og tykkelsen på DNFs nådde 5 μm (figur 2L).
Figur 3 viser resultatene av dispersive X-ray SPEKTROSKOPI (EDS) analyse av TiN/si og au DNFs/Tin/si. De indikerte elementene avtalt med syntese prosedyren. Videre kan de åpenbare toppene validere at belegget på TiN og syntesen av au DNFs ikke var forurenset.
Figur 4 illustrerer variasjonen av tykkelsen på Au DNFs på tinn/si-UNDERLAGET med FAGRR-tid. Tykkelsen av au DNFs økt lineært med syntese tid. Den lineære ligningen på tykkelse og syntese tid, som varierte fra 1 til 15 min, ble uttrykt som følger: y = 0,296t + 0,649.
Figur 5 viser XRD mønstre av prøver innhentet av ulike deponering ganger. En sterk (111) orientering av au-topper ble identifisert. Den skarpe kubikk au mønstre, Au (111), Au (200), Au (220), og au (311), avtalt med JCPDS 04-0784. Økningen i au topper med deponering tid tilsvarte veksten av au DNFs på TiN/si substrat. På den annen side var TiN-topper, nemlig TiN (111), TiN (200), TiN (220) og TiN (311), tydelige på 1 min deponering, enig med JCPDS 38-1420. Etter 1 min. forsvant signalene fra TiN gradvis fordi TiN/si-underlaget gradvis ble dekket av au DNFs. Disse XRD resultatene tilsvarte tidligere rapporter21,22.
| Substrat | Likestrøm W |
Impuls varighet (μs) | Strømningshastighet på AR (SCCM) | Strømningshastighet på N2 (SCCM) |
| Ti-lag | 250 for alle | 90 for alle | 20 | - |
| TiN-lag | 300 for alle | 1000 for alle | 30 | 1,5 for alle |
Tabell 1: vilkår for klargjøring av ti og TiN. HiPIMS parametere for deponering av ti og TiN lag på en silisium wafer.
Figur 1: eksempel på utseende. Fremstilling av en 2 cm x 2 cm prøve av (a) en silisium wafer, (b) TiN/si, og (c) au DNFs/TiN/si. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: SEM bilder av prøvene. SEM overhead og tverrsnittvisninger av au DNFs avsatt på tinn/si underlag på (a og b) 0 min; (c og d) 1 min; (e og f) 3 min; (g og h) 5 min; (i og j) 10 min; (k og l) 15 min. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: Elemental analyse. EDS-spekteret av (a) TiN/si og (b) au DNFs/TiN/si. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: au brutt tykkelse. Tykkelsen på Au DNFs på TiN/si substrat på ulike syntese ganger (n = 10) Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: XRD mønstre av prøver. XRD mønstre av au DNFs på tinn/si substrat på ulike syntese ganger. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denne studien ble au DNFs med flere gren størrelser dekorert på overflaten av TiN/si ved hjelp av FAGRR. Deponering av au DNFs kan være direkte identifisert av en betydelig endring i farge. Tykkelsen på Au DNFs på TiN/si økt til 5,10 ± 0,20 μm innen 15 min, og denne økningen i tykkelse kan uttrykkes ved hjelp av følgende lineære ligningen: y = 0,296t + 0,649, hvor tiden varierte fra 1 til 15 min.
I FAGRR påvirkes metall deponering av sammensetningen og pH-verdien i løsningen23. Deponering rate øker med tettheten av underlaget overflate defekter. Tykkelsen på TiN laget avtar etter hvert som den nye reaksjonstiden øker. Det er lett å fjerne au DNFs fra TiN/si-underlag hvis tykkelsen på Au DNFs er tykk nok.
Galvanisk Forskyvnings reaksjon er mer gunstig for et metall med en høyere Redox potensial23. I denne studien gir den foreslåtte facile og Rapid electroless avsetning prosessen en mulig tilnærming for å forberede au/TiN/si kompositter som kan brukes som synlig-lys photocatalysts21,22. Med samme protokoll er det også mulig å dikte opp au DNFs på andre underlag, for eksempel TiN/SiO2/si, Tin/glass, Tin/Ito og Tin/FTO, for programmer i fremtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av departementet for vitenskap og teknologi, Taiwan, under kontrakt tall mest 105-2221-E-492-003-MY2 og de fleste 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).
