Methodenartikel

Pitloze groei van bismut Nanowire Array via Vacuum Thermische Verdamping

8.1K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/53396

⸱

21 december 2015

 ,  , 
1Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory

In dit artikel

Samenvatting

Een protocol voor zaadloos en hoog opbrengst groei van bismut nanodraad arrays door middel van vacuüm thermische verdampingstechniek wordt gepresenteerd.

Samenvatting

Hier een pitloze en-template vrije techniek is aangetoond dat schaalbaar groeien bismut nanodraden, door middel van thermische verdamping in hoog vacuüm bij kamertemperatuur. Gewoonlijk gereserveerd voor de fabricage van dunne metalen films, thermische verdamping afzettingen bismut in een array verticale monokristallijn nanodraden over een vlakke dunne film van vanadium gehouden bij kamertemperatuur, dat vers wordt afgezet door sputtering of thermische verdamping. Door het regelen van de temperatuur van het groeisubstraat de lengte en breedte van de nanodraden kunnen worden afgestemd over een breed gebied. Verantwoordelijk voor deze nieuwe techniek is een onbekende nanodraad groeimechanisme dat wortels in de milde porositeit van het vanadium dunne film. Geïnfiltreerd in de vanadium poriën, de bismut domeinen (~ 1 nm) voeren excessieve oppervlakte-energie dat hun smeltpunt onderdrukt en continu verdrijft hen uit het vanadium matrix om nanodraden te vormen. Deze ontdekking toont de haalbaarheid van schaalbare dampfase synthESIS van hoge zuiverheid nanomaterialen zonder gebruik van katalysatoren.

Inleiding

Nanodraden beperken het transport van ladingsdragers en andere quasideeltjes, zoals fotonen en plasmonen in één dimensie. Dienovereenkomstig nanodraden vertonen gewoonlijk nieuwe elektrische, magnetische, optische en chemische eigenschappen, waardoor zij vrijwel onbeperkte mogelijkheden kennen voor toepassingen in micro / nano-elektronica, fotonica, biomedische, milieu- en energie-gerelateerde technologieën. 1,2 Gedurende de laatste twee decennia verschillende top-down en bottom-up benaderingen zijn ontwikkeld om een breed scala aan hoogwaardige metalen of halfgeleidende nanodraden op laboratoriumschaal. 3-6 synthese Ondanks deze ontwikkelingen, elke benadering is gebaseerd op een aantal unieke eigenschappen van het uiteindelijke product voor zijn succes. Bijvoorbeeld, de populaire damp-vloeistof-vaste stof (VLS) methode beter geschikt voor halfgeleidermaterialen die hogere smeltpunten en hiervan eutectische legering met overeenkomstige katalytisch "zaden". 7 Daardoor de synthese van een nanodraadmateriaal van bijzonder belang kan niet worden gedekt door bestaande technieken.

Als halfmetaal met kleine indirecte band overlap (-38 meV bij 0 K) en ongewoon licht ladingsdragers, bismut is een voorbeeld van. Het materiaal gedraagt ​​zich radicaal verschillend op verminderde afmeting vergeleken met de massa, zoals kwantumopsluiting bismut nanodraden of dunne films zou kunnen uitmonden in een smalle band gap halfgeleidermateriaal. 8-12 Ondertussen het oppervlak van bismut vormt een quasi-tweedimensionaal metalen die aanzienlijk meer metalen dan de breedte. 13-14 werd aangetoond dat het oppervlak van bismut bereikt een elektronenmobiliteit van 2 x 10 4 cm 2 V -1 sec -1 en draagt ​​sterk bij aan de thermische energie in de vorm nanodraad. 15 Al dergelijke, zijn er aanzienlijke belangen op het bestuderen van bismut nanodraden voor elektronische en in het bijzonder thermo-toepassingen. 12-16 Echter, vanwege de zeer lage bismut'ssmeltpunt (544 K) en de bereidheid voor oxidatie, het blijft een uitdaging om hoge kwaliteit en enkele kristallijne bismut nanodraden met behulp van traditionele damp fase of oplossing fasetechnieken synthese.

Eerder is gerapporteerd door verschillende groepen die monokristallijn bismuth nanodraden groeien bij lage opbrengst tijdens vacuum depositie van bismut dunne film, die wordt toegeschreven aan het vrijkomen van stress ingebouwd in de film. 17-20 Recentelijk, ontdekten we een nieuw techniek die is gebaseerd op de thermische verdamping bismut onder hoog vacuüm en leidt tot de schaalbare vorming van monokristallijn bismuth nanodraden in hoge opbrengst. 21 Vergeleken met eerder gerapporteerde methoden, de meest unieke eigenschap van deze techniek is dat het groeisubstraat is vers gecoat met een dun laagje nanoporeuze vanadium vóór afzetting bismut. Tijdens thermische verdamping van laatstgenoemde, bismutdamp infiltreert in de nanoporeuze structuur van de vanAdium film en condenseert daar nanodomains. Omdat vanadium niet wordt bevochtigd door gecondenseerde bismut, worden de domeinen geïnfiltreerd vervolgens uitgezet van vanadium matrix om hun oppervlakte energie vrij te geven. Het is de continue verwijdering van het bismut nanodomains de verticale bismut nanodraden vormt. Aangezien de bismut domeinen slechts 1-2 nm in diameter, zijn zij onderhevig aan aanzienlijke smeltpunt onderdrukken, waardoor ze bijna gesmolten bij kamertemperatuur maakt. Daardoor groei nanodraden overgaat tot het substraat gehouden op kamertemperatuur. Anderzijds, als de migratie van het bismut domeinen thermisch geactiveerd, de lengte en breedte van de nanodraden kan over een breed bereik afgestemd door simpelweg de temperatuur van het groeisubstraat. Deze gedetailleerde video protocol is bedoeld om nieuwe mensen in het veld te vermijden verschillende gemeenschappelijke problemen in verband met fysieke damp depositie van dunne films in een hoog vacuüm, zuurstofvrije omgeving.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

Let op: Gelieve alle relevante veiligheidsinformatiebladen (VIB) te raadplegen voor gebruik. Nanomaterialen kunnen extra risico's hebben in vergelijking met hun bulk tegenhanger. Gelieve alle nodige veiligheidsvoorschriften bij de omgang-nanomateriaal bedekte substraten, waaronder het gebruik van technische controles (zuurkast) en persoonlijke beschermingsmiddelen (veiligheidsbril, handschoenen, laboratoriumjas, volledige lengte broek, dichte schoenen).

1. Voorbereidende werkzaamheden

  1. Bereiding van dampafzetting systeem
    1. Vent de afzettingskamer de atmosfeer druk en open de kamer. De ontluchting gebeurt door het indrukken van de "Start PC Venting" knop op de control software-interface, die automatisch start een sequentie die de kamer om atmosferische druk te ventileren. Bij het bereiken van de sfeer druk opent de kamer door aan de voorzijde toegang te verschaffen tot deur.
    2. Monteer een wolfraam verdamping boot (alumina beklede) tussen een paar elektroden thermische verdamping. Plaats 1g bismut pellets in de verdamping boot.
    3. Monteer een vanadium sputteren doelstelling om de magnetronsputteren bron. Zie stap 1.1.4) voor depositie systeem dat niet is voorzien van een Verstuivingsbron.
    4. (Optioneel, voor depositie systeem niet is uitgerust met een Verstuivingsbron) Monteer een wolfraam verdamping boot tussen een paar elektroden thermische verdamping. Plaats 0,5 g vanadium slakken in de verdamping boot.
    5. Sluit de mini-banana connectors (twee voor verwarmen / koelvermogen en twee voor temperatuursonde) van de gesloten lus temperatuurregelaar de elektrische overspraak van het afzettingssysteem.
  2. Bereiding van groeisubstraten
    Opmerking: De vorming van bismut nanodraden ongevoelig voor het groeisubstraat keuze. Soortgelijke resultaten zijn verkregen van glasplaatje, silicium wafer of plaatmetaal. Het wordt aanbevolen door de auteurs dat het substraat vóór de damp wordt gereinigddepositieproces, teneinde een consistente hechting van het vanadium onderlaag bereiken. Verschillende reinigingstechnieken substraat, zoals plasmareiniging en natchemische reiniging kan worden toegepast en leiden tot vergelijkbare resultaten.
    1. Reinigen van de groeisubstraten door zuurstof plasma
      1. Plaats de groei van substraten in een plasma schoner en pomp de kamer, door op de "VAC ON" knop, om de basis druk van 10 mTorr.
      2. Open de zuurstof gasklep en de invoering van zuurstofgas naar de kamer door op de "GAS ON" knop op het voorpaneel en stel het debiet door op de "INCR" en "DECR" knoppen voor de gasstroom controle om een ​​kamer druk te handhaven van ongeveer 100 mTorr.
      3. Zet de plasma-vermogen bij 20 W door op de "INCR" en "DECR" knoppen voor power control en ontsteken het plasma door op de "RF ON" knop.
      4. Wacht 5 minuten voor het uitschakelen van het plasma door op de "; RF ON ". Knop Vent de kamer door op de" bloeden "knop en de substraten te halen.
    2. Reinigen van de groeisubstraten door natte chemische methode
      1. Dompel de groeisubstraten in aceton in een bekerglas. Plaats het bekerglas in een ultrasonicator en ultrasone trillingen gedurende 2 minuten bij maximaal vermogen.
      2. Verwijder de substraten uit de beker en spoelen met een stroom van absolute alcohol uit een spuitfles voor 30 sec.
      3. Droog de substraten in een stroom stikstofgas.
  3. Substraat laad- en depositie systeem pompen
    1. Monteer de ondergrond temperatuurregeling montage aan de substraathouder.
    2. Met veerklemmen de groeisubstraten monteren bovenop de Peltier koeler / verwarmer.
    3. Monteer de volledig gemonteerde substraathouder in de dampafzettingskamer, met de substraten met uitzicht op de afzetting bronnen. Sluit de elektrische doorvoeren naar dePeltier koeler / verwarming montage.
    4. Sluit het substraat sluiter op het substraat te voorkomen onbedoeld afzetting.
    5. Begin pompen langs de afzettingskamer. Het pompen wordt gedaan door op de "Start PC Pumping" knop op de control software-interface, die automatisch start een sequentie die de kamer te pompen om de basis druk.

2. De groei van Bismuth Nanodraden

Opmerking: Het experiment is niet beweegt naar de volgende stap totdat de basisdruk van de depositiekamer 2 x 10 -6 Torr of minder heeft bereikt.

  1. De afzetting van vanadium onderlaag
    Opmerking: De beste experimentele reproduceerbaarheid wordt bereikt wanneer het vanadium onderlaag wordt afgezet door de magnetron sputterwerkwijze. Aangezien een sputterbron, hoge reproduceerbaarheid kan ook nog gerealiseerd door het afzetten van de vanadium onderlaag gebruikmakend van thermische verdamping methode, mits het afzettingssysteem hasa lage basis druk (≤ 5 × 10 -7 Torr). Zie stap 3.1.2 voor de details.
    1. Vanadium afzetting met een magnetronsputteren bron.
      1. Start argonstroom in de sputterbron. Stel debiet tot 40 SCCM.
      2. Pas de turbomoleculaire pomp revolutie tarief voor een kamer druk van 2,5 mTorr.
      3. Terwijl de kamer wordt geleidelijk aan het bereiken van de steady-state druk, stelt de dikte kalibratiefactoren aan de QCM. Voor vanadium, de dichtheid 5,96 g / cm 3 en het Z-factor is 0,530.
      4. Schakel de DC-sputteren en stel de kracht van 200-250 W. Voor de afzetting systeem wordt beheerd door de auteurs, de depositie is ongeveer 0,4 A / sec bij deze macht. Zonder de sluiter substraat, blijven de bron draaien voor 2 min.
        LET OP: Door deze stap wordt de natuurlijke oxidelaag op het vanadium bron wordt verwijderd, waardoor verse vanadium oppervlak.
      5. Open het substraat rolluik vanadium depositio beginnenn. Ondertussen reset de gecumuleerde dikte van de QCM nul.
      6. Verder depositie tot een schijnbare dikte van 20 nm is geaccumuleerd, per QCM lezen. Sluit het substraat sluiter.
      7. Geleidelijk de sputter vermogen afnemen tot nul. Draai de bron uit.
      8. Schakel de argonstroom. Zet de turbomoleculaire pomp om zijn volle kracht.
    2. (Optioneel, voor depositie systeem niet is uitgerust met een Verstuivingsbron) Vanadium afzetting met een thermisch verdampingsbron.
      1. Door het hoge smeltpunt van vanadium (1910 ° C) en zijn bereidheid om oxidatie, is het raadzaam dat de thermische verdamping worden uitgevoerd op een basis druk van 5 x 10 -7 Torr of lager.
      2. Stel de dikte kalibratiefactoren de QCM. Voor vanadium, de dichtheid 5,96 g / cm 3 en het Z-factor is 0,530.
      3. Zet de thermische verdamping stroomtoevoer naar de vanadiumbron.Verhogen langzaam verwarming macht om de wolfraam boot tot het vanadium slakken smelten.
      4. Met het substraat sluiter gesloten gehouden, langzaam stijgen verwarmingsvermogen tot een afzettingssnelheid van 2 A / sec bereikt, per QCM lezen. Open het substraat rolluik vanadium afzetting starten. Ondertussen reset de gecumuleerde dikte van de QCM nul.
      5. Verder depositie tot een schijnbare dikte van 50 nm wordt geaccumuleerd. Sluit het substraat sluiter.
      6. Geleidelijk thermische verdamping stroom afnemen tot nul. Draai de bron uit.
  2. De afzetting van bismut nanodraden
    1. Voor bismut depositie bij temperatuur boven of beneden RT, de gewenste waarde aan de temperatuurregelaar. Wacht tot de gewenste temperatuur wordt bereikt.
    2. Stel de dikte kalibratiefactoren de QCM. Voor bismut, de dichtheid 9,78 g / cm 3 en het Z-factor is 0,790.
    3. Schakel de thermische verdamping kracht supply naar de bismut bron. Verhoog langzaam verwarmingsvermogen de wolfraam boot tot afzettingssnelheid van 2 A / sec bereikt, per QCM lezen.
    4. Open het substraat rolluik bismut afzetting starten. Ondertussen reset de gecumuleerde dikte van de QCM nul.
    5. Verder depositie tot een schijnbare dikte van 50 nm wordt geaccumuleerd. Sluit het substraat sluiter.
    6. Geleidelijk thermische verdamping stroom afnemen tot nul. Draai de bron uit.
    7. Schakel de voeding naar de thermische elektrische koeler / verwarming.
    8. Vent de afzettingskamer de atmosfeer druk en open de kamer. Haal de substraathouder en het verzamelen van de bismut nanodraden bedekt substraten.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De transversale SEM beelden van vanadium onderlagen gevormd door magnetron sputteren en thermische verdamping werkwijzen zijn weergegeven in figuur 2. Scanning elektronenmicroscopie (SEM) beelden worden ter bismut nanodraden gevormd bij verschillende temperaturen substraat (figuur 3). De kristalstructuur van het bismut nanodraden wordt bepaald door middel van transmissie elektronenmicroscopie (TEM), selectieve specifieke elektron diffractie (SAED) en röntgendiffractie (XRD) studies

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

De groei van bismut nanodraden wordt uitgevoerd in een fysische dampafzetting met ten minste twee afzetting bronnen, een voor bismut en een voor vanadium. Aanbevolen wordt een van de bronnen is een magnetron sputtering bron, voor de afzetting van vanadium. Hoog vacuüm wordt bereikt door een turbomoleculaire pompen ondersteund door een droge spiraalpomp. Het opdampen is uitgerust met een geijkte kwartskristal microbalans (QCM) in situ dikte monitoring. De damp depositie systeem heeft elektrische doorvoerdraden v...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

Auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Onderzoek wordt uitgevoerd bij het Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory, dat wordt ondersteund door het U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, onder contractnummer DE-SC0012704.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
BismutSigma-Aldrich556130Korrelig, 99.999%
Vanadium SlagAlfa Aesar428293.175 mm (0.125 in) dia x 6.35 mm (0.25 in) lengte, 99.8%
Vanadium Sputtering TargetKurt J. LeskerEJTVXXX253A23.00" Dia. x 0.125" Dik, 99.5%
AcetonSigma-Aldrich179124>99.5%
EthanolAlfa Aesar33361Watervrij
Silicium WaferUniversity Wafers300 microns dik, (100) oriëntatie
Zilver Gevulde EpoxyCircuit WorksCW2400Tweedelige geleidende epoxyhars
Wolfraam Boot, Alumina GecoatR. D. MathisS9B-AO-WVoor bismut thermische verdamping
Wolfraam BootR. D. MathisS4-.015WVoor vanadium thermische verdamping
RIE PlasmaNordson MarchCS-1701
PVD 75 Damp Depositie PlatformKurt J. LeskerPEDP75FTCLT001Uitgerust met drie thermische verdampingsbronnen en één DC magnetron sputtering bron
Thermo-elektrische Temperatuur ControllerLairdTechMTTC-1410
PT1000 RGDLairdTech340912-01Temperatuursensor voor MTTC-1410
Thermo-elektrisch ModuleLairdTech56910-502
UltrasonicatorCrest UltrasonicsTru-Sweep 175

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Bismut nanodradenvacu mdepositievanadiumsubstraattemperatuurregeling van het substraatscanning elektronenmicroscopietransmissie elektronenmicroscopieenergiedispersieve r ntgenspectroscopiemagnetron sputterenkwartskristalmicrobalans

Gerelateerde artikelen