Voorbereiding van Macroporeuze Epitaxiale Quartz Films on Silicon door chemische oplossing Deposition

Samenvatting

Er wordt een protocol gepresenteerd voor de bereiding van piëzo-elektrische macroporeuze epitaxiale kwartsfilms op silicium door middel van oplossingschemie met behulp van dip-coating en thermische behandelingen in de lucht.

Samenvatting

Dit werk beschrijft het gedetailleerde protocol voor het bereiden van piëzo-elektrische macroporeuze epitaxiale kwartsfilms op silicium(100) substraten. Dit is een driedelig proces gebaseerd op de bereiding van een sol in een eenpotsynthese, gevolgd door het afzetten van een gelfilm op Si(100) substraten door verdamping geïnduceerde zelf-assemblage met behulp van de dip-coatingtechniek en eindigt met een thermische behandeling van het materiaal om de gelkristallisatie en de groei van de kwartsfilm te induceren. De vorming van een silicagel is gebaseerd op de reactie van een tetraethylorthosilicaat en water, gekatalyseerd door HCl, in ethanol. De oplossing bevat echter twee extra componenten die essentieel zijn voor het bereiden van mesoporeuze epitaxiale kwartsfilms van deze silicagels die op Si zijn gedipt. Aardalkali-ionen, zoals Sr²⁺, fungeren als glas smeltmiddelen die de kristallisatie van silica vergemakkelijken en in combinatie met cetyltrimethylammoniumbromide (CTAB) een amfifiel sjabloon vormen dat verantwoordelijk is voor de macroporositeit van de films. De goede overeenstemming tussen de celparameters van kwarts en silicium is ook essentieel voor de stabilisatie van kwarts boven andere SiO₂ polymorfen en ligt aan de basis van de epitaxiale groei.

Inleiding

Bij een piëzo-elektrisch materiaal zoals α-kwarts een spanning voorspanning wordt ingediend ondergaat een mechanische vervorming. Indien dit materiaal poreus is, kunnen deze volumeveranderingen tot porie uitzetting of krimp, scheppen van een systeem vergelijkbaar met wat kan worden waargenomen in levende biologische organellen. ¹ vervormbare poreuze α-kwarts is geproduceerd microfabricage, ² maar deze technieken kunnen nog niet produceren 3-D poriestructuren en poriën diameters in de orde van honderden nanometers. Kristallisatie van gestructureerde amorfe silica werd belemmerd door homogene nucleatie veroorzaakt door hoge oppervlakte-energieën en architecturale vervorming als gevolg van vergroving en smelten. Aangezien alle vormen van silica gebouwd op uiterst stabiele SiO ₄ tetraëdrische netwerken, de vrije energie van vorming van amorfe silica, α-kwarts en andere SiO ₂ polymorfen zijn bijna gelijk in een breed temperatuurbereik, makinG het moeilijk α-kwarts produceren als een polymorf van de kristallisatie van een amorf silica gel. ³ Een ander aspect dat maakt harder gecontroleerde kristallisatie van gestructureerde amorfe silica dat quartz tijd relatief langzame nucleatiesnelheid maar een extreem snelle groei, gerapporteerd tussen 10-94 nm / sec. ^4,5 Slow nucleatie combinatie met snelle groei neiging om kristallen veel groter dan de oorspronkelijke nanoporeuze structuur, waardoor de oorspronkelijke morfologie verloren genereren. Alkalimetalen, zoals Na ⁺ en Li ^+, zijn gebruikt om α-kwarts kristalliseren, vaak in combinatie met hydrothermische behandeling. ^5,6 Ook een Ti ⁴⁺ / ^Ca2 + combinatie werd toegepast om bolvormige deeltjes van siliciumdioxide kristalliseren tot kwarts door een zachte chemische route met behulp van silicium alcoxides. ⁷ Maar de gecontroleerde kristallisatie van een gestructureerde amorfe silica film in kwarts bleef een uitdaging.

Onlangs, strontium is gevonden om de kiemvorming en groei van kristallijne SiO ₂ onder omgevingsdruk en relatief lage temperaturen te katalyseren. ^8,9 Epitaxy, ontstaat door de gunstige mismatch tussen α-kwarts en de <100> siliciumsubstraat, producerende georiënteerde piëzo-elektrische dunne films. Verdamping geïnduceerde zelf-assemblage op mesoporeuze silica films produceren is gebruikt sinds 1999. ¹⁰ Deze techniek is bestudeerd en toegepast op een veelheid van malmiddelen onder verschillende omstandigheden poriën van verschillende afmetingen en mesofasen produceren. Gebleken is dat subnanometric veranderingen in mesoporie grootte een dramatisch effect op opgeloste stof diffusie hebben door poreuze systemen ^11, het valideren van deze uitgebreide aandacht structuur poriën. Bovendien kan de toegankelijkheid van het interne silica poriënsysteem worden verkregen door regeling van de micellaire fase van het template. ¹²

Hier, de syntheseroute tpet maakt ongekende controle over de dikte en de poriegrootte van amorf silica lagen Volgens een nieuw fasescheiding wordt gedemonstreerd. ¹³ Deze films worden geïnfiltreerd met Sr (II) zouten en gekristalliseerd aan a-kwarts bij 1000 ° C onder lucht bij omgevingsdruk. De poriegrootte retainable met deze kristallisatieproces wordt bepaald, en het effect van de wanddikte en filmdikte wordt bestudeerd. Tenslotte wordt de piëzo-elektriciteit en de vervormbaarheid van het poriënsysteem bestudeerd.

Protocol

1. Bereiding van de Sol

1. Bereid een oplossing van geprehydrolyseerde tetraethylorthosilicaat (TEOS) de dag vóór de bereiding van het gel films in een zuurkast waar een laboratoriumbalans en een magnetische roerder geplaatst. In deze stap en in de hele protocol dragen van een laboratoriumjas, handschoenen en een veiligheidsbril.
   1. In een bekerglas van 50 ml dat een met Teflon beklede magnetische roerstaaf weegt 1,68 g CTAB, voeg 48,13 ml ethanol en 3,00 ml HCl 35%, Bedek het bekerglas met een horlogeglas en roer tot het CTAB volledig is opgelost.
   2. Voeg 7,37 ml TEOS druppelsgewijs aan de beker (met een snelheid van ongeveer 1-2 druppels per seconde) al roerend, bedek de kolf met een horlogeglas en laat het roer O / N.
2. De volgende dag, bereid een 1 M waterige oplossing van Sr ^2+. Voer deze en volgende stappen net voor de bereiding van de gel films omdat een verouderde oplossing gevoelig opnieuw neerslaan van het zout Sr.
   1. Weeg 6,6654 g srcl ₂ · 6H ₂ O in een 25 ml maatkolf.
   2. Voeg ultrapuur water (bv, Milli-Q) tot 25 ml (meniscus rakend aan de kolf markering) en sluit de kolf met een plastic dop en schud de kolf met strontiumchlorideoplossing ontbinden.
3. Voeg 2 ml van 1 M waterige oplossing van Sr ²⁺ tot de 50 ml bekerglas bevattende sol die overbleef roeren O / N. Roer de oplossing gedurende 25 min.
4. Gooi de resten die uiteindelijk hebben gegenereerd op basis van de veiligheid en milieubescherming protocollen van het lab.

2. Gel Film Deposition op Si (100) substraten

1. Bereiding van de substraten
   1. Snij Si platen van ongeveer 2 cm bij 5 cm uit een 2-inch p-type (100) silicium wafer met een dikte van 200 micron door splitsing van de wafer in een richting parallel aan of loodrecht op de wafer flat met een diamantpunt of scherpe voorwerp. Voer deze stap in advertentievance bijvoorbeeld de dag vóór de afzetting van de gel films.
   2. Net vóór de afzetting van de gels, de substraten gereinigd met ethanol en laat ze drogen of gebruik een stikstofstroom of perslucht om het drogen te versnellen. Voer deze stap in afwachting van de voltooiing van stap 1.3.
2. De vacht van de films. Om een ​​homogene structuur te verkrijgen macroporie uitvoeren van deze stap onder omstandigheden van relatieve vochtigheid tussen 20% en 55% bij kamertemperatuur.
   1. Opzetten van een dip coating volgorde. Selecteer de begin- en eindposities rekening houdend met de lengte van de Si plaat en het niveau van de oplossing in de beker, zodat de plaat ten minste 2 cm boven het vloeistofniveau in de startpositie en 1 cm boven de bodem van de beker aan het einde van de onderdompeling. Stel zowel de onderdompeling en intrekking snelheden tot 150 mm / min. Stel de onderdompeling (tijd op de laatste positie) naar nul.
   2. Na voltooiing van stap 1.3 plaats de beker met de zogenaamdelution in een goed gecentreerde positie onder de Si plak opknoping van de dip-coater arm.
   3. Bevestig een uiteinde van de Si plak de dip-coater arm met de clip, zodat de plaat zo loodrecht mogelijk ten opzichte van de horizontaal.
   4. Voeren de dip coating volgorde en maak de Si plak van de dip-coater arm. Herhaal stap 2.2.3 en 2.2.4 met extra Si platen meer films produceren, verzorgen deze preparaten niet verder dan 1 uur, zodat de stabiliteit van de oplossing niet in het gedrang.
3. Gooi de oplossingen die uiteindelijk hebben gegenereerd op basis van de veiligheid en milieubescherming protocollen van het lab.

3. Gel Film kristallisatie door thermische behandeling

1. Thermisch behandelen van de gel films op Si (100).
   1. Programmeer een oven om de volgende thermische behandeling in lucht atmosfeer uitvoeren: verwarming van kamertemperatuur tot 1000 ° C bij 3 ° C / min, houden op 1000 °; C gedurende 5 uur en afkoelen tot kamertemperatuur bij 3 ° C / min.
   2. Plaats de dip-gecoate Si substraten in een aluminium boot, introduceren in de oven en voer de thermische behandeling.
2. Reinigen van het gekristalliseerde films.
   1. Dompel het gekristalliseerde films voor 3 uur in geconcentreerd _HNO3 om de opeenhoping van Sr ²⁺ die zijn uitgezet op het filmoppervlak tijdens de kristallisatie te verwijderen en spoel de folies eerst met gedeioniseerd water en daarna met ethanol.

Resultaten

De voortgang van het materiaal synthese gecontroleerd door het monitoren van verschillende aspecten. Na de dip-coating proces kan men het aspect van de films, de uiteindelijke verschijning van diffractie structuren in de gereflecteerde spot van een groene laser en de Scanning Electron Microscopy (SEM) beelden in terugverstrooide elektronen mode (Figuur 1A-B) waarnemen. Nadat het kristallisatieproces is het belangrijk Atomic Force Microscopy (AFM) topografische beelden

Discussie

De gepresenteerde methode is een bottom-up benadering van macroporeus kwarts films op Si produceren. Vergeleken met de standaard werkwijze voor de productie van kwarts films, een top-down technologie op basis van snijden en polijsten van grote hydrothermaal gegroeid kristallen, de in het protocol beschreven werkwijze maakt het verkrijgen van veel dunnere films met diktes tussen 150 en 450 nm, die kan worden bediend met de terugtrekking tarief. Alle experimentele details inzake de controle van kwarts films dikte en piëzo...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Dip coater	Nadetech	ND-DC 11/150
Furnace	Nabertherm	R 50/250/12
Atomic Force Microscope	Agilent	5500 LS
Silicon wafers	SHE Europe Ltd.
SrCl2·6H2O	Aldrich	13909
CTAB	Aldrich	H5582
Ethanol Absolute	Aldrich	161086
HCl 35% solution	PanReac	721019
TEOS	Aldrich	131903