Pitloze groei van bismut Nanowire Array via Vacuum Thermische Verdamping

Het algemene doel van deze experimentele procedure is om enkelkristallijne bismut-nanodraden op een schaalbare manier te kweken via thermische verdamping in een hoogvacuüm. Deze methode kan worden gebruikt om hoogwaardige bismut-nanodraden in hoge opbrengsten te synthetiseren. Het materiaal is van groot belang in het veld van halfgeleiderstudies.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat er geen katalysatoren of seeds aan te pas komen, en dat de synthetische procedure plaatsvindt in een hoog vacuüm, waardoor de nanowire met een hyperzuiverheid wordt gevormd. Deze methode biedt inzicht in hoe nanoporositeit spontane groei van nanowires induceert, maar het zou ook toepasbaar moeten zijn op andere systemen met een laag smeltpunt, zoals indium en tin. Begin met het ontluchten van de depositiekamer tot atmosferische druk en open vervolgens de kamer.

Het ontluchten gebeurt door op de knop 'start PC venting' in de interface van de besturingssoftware te drukken, waardoor automatisch een sequentie wordt gestart die de kamer ontlucht tot atmosferische druk. Zodra de atmosferische druk is bereikt, wordt de kamer geopend door de toegangsluik aan de voorzijde open te trekken.

Monteer vervolgens een wolfraamverdampingsboot tussen een paar thermische verdampingselektroden. Plaats één gram bismutpellets in de verdampingsboot en monteer een vanadium sputtertarget op de magnetron sputterbron. Sluit daarna de mini-bananenstekkers van de gesloten-lus temperatuurregelaar aan op de elektrische doorvoer van het depositiesysteem.

Om de groeisubstraten te reinigen met zuurstofplasma, plaatst u de groeisubstraten in een plasmareiniger en pompt u de kamer door op de knop vac on te drukken tot de basisdruk van 10 millitorr is bereikt. Open de zuurstofgasventiel en laat zuurstofgas in de kamer stromen door op de knop gas on op het voorpaneel te drukken. Pas de stroomsnelheid aan door op de knoppen INCR en DECR voor de controle van de gasstroomsnelheid te drukken om een kamerdruk van ongeveer 100 millitorr te handhaven.

Stel vervolgens het plasmaplanvermogen in op 20 watts door de INCR- en DECR-knoppen voor vermogensregeling in te drukken en ontsteek de plasma door op de RF on-knop te drukken. Wacht vijf minuten voordat u de plasma uitschakelt door op de RF on-knop te drukken. Ventileer daarna de kamer door op de bleed-knop te drukken voordat u de substraten verwijdert om een nieuw substraat te laden.

Bevestig eerst de assemblage voor de temperatuurregeling van het substraat aan de substraathouder. Gebruik veerclips om de groeisubstraten bovenop de peltier-koel- en verwarmingsassemblage te monteren. Plaats vervolgens de volledig geassembleerde substraathouder in de dampdepositiekamer.

Sluit, terwijl de substraten naar de depositiebronnen zijn gericht, de elektrische doorvoeren aan op de Peltier-koeler/verwarmingsassemblage. Sluit het substraatluik om onbedoelde depositie op het substraat te voorkomen. Begin vervolgens met het vacuüm trekken van de depositiekamer.

Het vacuüm trekken gebeurt door op de startknop voor PC-pompen in de interface van de aansturingssoftware te drukken, wat automatisch een sequentie start die de kamer naar zijn basisdruk pompt om vanadium af te zetten met een magnetron-sputterbron. Start de argonstroom in de sputterbron. Stel de stroomsnelheid in op tussen 40 en 50 standaard kubieke centimeter per minuut. Pas het toerental van de turbomoleculaire pompen aan voor een kamerdruk van 2,5 tot 3 millitorr terwijl de kamer geleidelijk zijn stabiele druk bereikt.

Stel de diktekalibratiefactoren van de kwartskristalmicrobalans of QCM in voor vanadium. De dichtheid is 5,96 grams per kubieke centimeter en de Z-factor is 0,530. Schakel de DC-sputterbron in en stel het vermogen in op 200 tot 250 watt zonder de substraatsluiter te openen.

Laat de bron twee minuten draaien. Open de substraatsluiter om de vanadiumdepositie te starten. Stel in ondertussen de geaccumuleerde dikte van de QCM opnieuw in op nul.

Zet de depositie voort totdat er volgens de QCM-meting een schijnbare dikte van 20 nanometers is opgebouwd. Sluit vervolgens het substraatluik en verlaag geleidelijk het sputtervermogen naar nul. Schakel daarna de bron uit en sluit de argonstroom af.

Zet tenslotte de turbomoleculaire pomp terug naar het volle vermogen. Het is zeer belangrijk dat de substraattemperatuur stabiel en nauwkeurig wordt gehandhaafd, aangezien de lijnen van het nanovirus sterk worden beïnvloed door de temperatuur. Stel voor bismuth-depositie bij temperaturen boven of onder kamertemperatuur de gewenste waarde in op de temperatuurregelaar. Wacht tot de gewenste temperatuur is bereikt.

Stel de diktekalibratiefactoren van de QCM in voor bismut. De dichtheid is 9,78 grams per cubic centimeter en de Z-factor is 0,790. Schakel de voeding voor thermische verdamping naar de bismutbron in.

Verhoog vervolgens langzaam het verwarmingsvermogen van de wolfraamboot tot een depositiesnelheid van twee angström per seconde is bereikt. Reset de geaccumuleerde dikte van de QCM naar nul op basis van de QCM-meting. Open ondertussen het substraatsluiter om de depositie van bismut te starten.

Zet de depositie voort totdat er een schijnbare dikte van 50 nanometers is opgebouwd. Sluit vervolgens het substraatluik. Verlaag geleidelijk het vermogen van de thermische verdamping naar nul.

Schakel de bron uit. Schakel de voeding van de thermoelektrische koeler/verwarmer uit. Laat de depositiekamer ventileren tot atmosferische druk en open de kamer.

Haal tot slot de substraathouder uit de kamer en verzamel de met bismut-nanodraden bedekte substraten. De dwarsdoorsnede-scanningelektronenmicroscopie- of SEM-beelden van de vanadium-onderlaag, gevormd via magnetron-sputtering en thermische verdampingsmethoden, worden hier gepresenteerd. SEM-beelden worden getoond voor bismut-nanodraden die bij verschillende substraattemperaturen zijn gevormd.

De kristalstructuur van de bismut-nanodraden wordt bepaald via transmissie-elektronenmicroscopie, selectieve gebiedselektrondiffractie en röntgendiffractieonderzoek. Elementanalyse via energie-dispersieve röntgenspectroscopie wijst uit dat de bismut-nanodraden niet gelegeerd zijn met de vanadium-onderlaag. Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u deze groei kunt realiseren.

Enkristallijne nanodraden worden vervaardigd via thermische verdamping in hoogvacuüm. Tijdens deze procedure is het essentieel om de substraattemperatuur nauwkeurig te beheersen, aangezien deze de afmetingen van de nanodraden significant kan beïnvloeden. Een lage basisdruk is daarnaast cruciaal om oxidatie van de gedampte materialen na de vorming te voorkomen. Deze techniek heeft de weg vrijgemaakt voor onderzoekers op het gebied van fysieke synthese van nanostructuren om oppervlakte-energie te benutten als drijvende kracht voor hoogwaardige en hypergestructureerde nanostructuren.