Name: Bezzasieenny wzrost nanodrutu bizmutu poprzez próżniowe odparowanie termiczne (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-12-21T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 58 s
Description: Poznaj metodę próżniowego odparowania termicznego do bezszablonowego wzrostu nanodrutów bizmutu. Technika umożliwia skalowalną syntezę wysokiej czystości nanostruktur półprzewodnikowych bez katalizatorów.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Badania są prowadzone w Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory, które jest wspierane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Podstawowych Nauk Energetycznych, na podstawie umowy nr. DE-SC0012704.

Uwaga: Przed użyciem należy zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznej (MSDS). Nanomateriały mogą wiązać się z dodatkowymi zagrożeniami w porównaniu z ich masowymi odpowiednikami. Podczas obchodzenia się z podłożami pokrytymi nanomateriałami należy stosować wszystkie odpowiednie praktyki bezpieczeństwa, w tym stosowanie kontroli inżynieryjnych (dygestoria) i środków ochrony osobistej (okulary ochronne, rękawice, fartuch laboratoryjny, długie spodnie, buty z zakrytymi palcami).
1. Praca przygotowawcza
<ol>
	<li>Przygotowanie systemu osadzania z fazy gazowej
	<ol>
		<li>Odpowietrzyć komorę osadzania do ciśnienia atmosferycznego i otworzyć komorę. Wentylacja odbywa się poprzez naciśnięcie przycisku "Start PC Venting" na interfejsie oprogramowania sterującego, który automatycznie uruchamia sekwencję, która odpowietrza komorę do ciśnienia atmosferycznego. Po osiągnięciu ciśnienia atmosferycznego otwórz komorę, pociągając za przednie drzwiczki dostępowe.</li>
		<li>Zamontuj wolframową łódź do odparowywania (pokrytą tlenkiem glinu) między parą elektrod do odparowywania termicznego. Umieść 1 g granulek bizmutu w łodzi do odparowywania.</li>
		<li>Zamontuj tarczę rozpylania wanadu do źródła rozpylania magnetronowego. Patrz krok 1.1.4) dla systemu osadzania, który nie jest wyposażony w źródło napylania.</li>
		<li>(opcjonalnie, dla systemu osadzania, który nie jest wyposażony w źródło rozpylania) Zamontuj wolframową łódź do odparowywania między parą elektrod do odparowywania termicznego. Umieść 0.5 g ślimaków wanadu w łodzi odparowującej.</li>
		<li>Podłącz złącza mini-bananowe (dwa do zasilania grzewczego/chłodzącego i dwa do sondy temperatury) regulatora temperatury w pętli zamkniętej do przepustu elektrycznego systemu osadzania.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie substratów wzrostowych 
	Uwaga: Tworzenie się nanodrutów bizmutu jest niewrażliwe na wybrany substrat wzrostu. Podobne wyniki uzyskano ze szkiełka podstawowego, płytki krzemowej lub blachy. Autorzy zalecają, aby podłoże zostało oczyszczone bezpośrednio przed procesem osadzania z fazy gazowej, w celu uzyskania stałej przyczepności spodniej warstwy wanadu. Można zastosować różne techniki czyszczenia podłoża, w tym czyszczenie plazmowe i czyszczenie chemiczne na mokro, które prowadzą do podobnych rezultatów.
	<ol>
		<li>Oczyszczanie substratów wzrostowych za pomocą plazmy tlenowej
		<ol>
			<li>Umieść podłoża wzrostowe w myjce plazmowej i pompuj komorę, naciskając przycisk "VAC ON", do podstawowego ciśnienia 10 mTorr.</li>
			<li>Otwórz zawór tlenu gazowego i wprowadź tlen gazowy do komory, naciskając przycisk "GAS ON" na panelu przednim i wyreguluj natężenie przepływu, naciskając przyciski "INCR" i "DECR" do kontroli natężenia przepływu gazu, aby utrzymać ciśnienie w komorze około 100 mTorr.</li>
			<li>Ustaw moc plazmy na 20 W, naciskając przyciski "INCR" i "DECR" do sterowania mocą i zapal plazmę, naciskając przycisk "RF ON".</li>
			<li>Odczekaj 5 minut przed wyłączeniem plazmy, naciskając przycisk "RF ON". Odwietrzyć komorę, naciskając przycisk "BLEED" i pobrać podłoża.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Czyszczenie podłoży wzrostowych metodą chemiczną na mokro
		<ol>
			<li>Zanurz podłoża wzrostowe w acetonie znajdującym się w zlewce. Umieścić zlewkę w ultrasonografie i sonikować przez 2 minuty z maksymalną mocą.</li>
			<li>Usunąć podłoża ze zlewki i płukać je strumieniem alkoholu bezwodnego z butelki do mycia przez 30 sekund.</li>
			<li>Wysuszyć podłoża w strumieniu gazowego azotu.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>System załadunku i osadzania substratu
	<ol>
		<li>Zamontuj zespół kontroli temperatury podłoża do uchwytu podłoża.</li>
		<li>Użyj zacisków sprężynowych, aby zamontować podłoża wzrostowe na górze zespołu chłodnicy/grzałki Peltiera.</li>
		<li>Zamontuj w pełni zmontowany uchwyt podłoża w komorze osadzania z fazy gazowej, tak aby podłoża były skierowane w stronę źródeł osadzania. Podłączyć przepusty elektryczne do zespołu chłodnicy/nagrzewnicy Peltiera.</li>
		<li>Zamknij przesłonę podłoża, aby uniknąć niezamierzonego osadzania się na podłożu.</li>
		<li>Rozpocznij pompowanie w dół komory osadzania. Pompowanie odbywa się poprzez naciśnięcie przycisku "Start PC Pumping" na interfejsie oprogramowania sterującego, który automatycznie uruchamia sekwencję, która pompuje komorę do ciśnienia podstawowego.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Wzrost nanodrutów bizmutu 
Uwaga: Eksperyment nie przechodzi do następnego etapu, dopóki ciśnienie podstawowe w komorze osadzania nie osiągnie 2 × 10-6 Torr lub mniej.
<ol>
	<li>Osadzanie się warstwy spodniej wanadu 
	Uwaga: Najlepszą odtwarzalność doświadczalną uzyskuje się, gdy spodnia warstwa wanadu jest osadzana metodą rozpylania magnetronowego. W przypadku braku źródła rozpylania, wysoką odtwarzalność można również osiągnąć poprzez osadzanie warstwy spodniej wanadu metodą odparowania termicznego, pod warunkiem, że system osadzania ma niskie ciśnienie podstawowe (≤ 5 × 10-7 Torr). Szczegółowe informacje można znaleźć w kroku 3.1.2.
	<ol>
		<li>Osadzanie wanadu ze źródłem rozpylania magnetronowego.
		<ol>
			<li>Rozpocznij przepływ argonu w źródle rozpylania. Ustaw natężenie przepływu na 40 sccm.</li>
			<li>Dostosuj prędkość obrotową pompy turbomolekularnej do ciśnienia w komorze 2.5 mTorr.</li>
			<li>Podczas gdy komora stopniowo osiąga ciśnienie w stanie ustalonym, ustaw współczynniki kalibracji grubości na QCM. W przypadku wanadu gęstość wynosi 5,96 g/cm3, a współczynnik Z wynosi 0,530.</li>
			<li>Włącz źródło rozpylania prądu stałego i ustaw moc na 200-250 W. Dla systemu osadzania obsługiwanego przez autorów szybkość osadzania wynosi około 0,4 A/s przy tej mocy. Nie otwierając żaluzji podłoża, utrzymuj źródło włączone przez 2 min. 
			UWAGA: Na tym etapie usuwany jest natywny tlenek ze źródła wanadu, odsłaniając świeżą powierzchnię wanadu.</li>
			<li>Otwórz przesłonę podłoża, aby rozpocząć osadzanie wanadu. W międzyczasie zresetuj skumulowaną grubość QCM do zera.</li>
			<li>Kontynuować osadzanie, aż do uzyskania pozornej grubości 20 nm, zgodnie z odczytem QCM. Zamknij przesłonę podłoża.</li>
			<li>Stopniowo zmniejszaj moc rozpylania do zera. Wyłącz źródło.</li>
			<li>Odciąć dopływ argonu. Przywróć pompę turbomolekularną do pełnej mocy.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>(opcjonalnie, dla systemu osadzania, który nie jest wyposażony w źródło rozpylania) Osadzanie wanadu ze źródłem parowania termicznego.
		<ol>
			<li>Ze względu na wysoką temperaturę topnienia wanadu (1,910 °C) i jego podatność na utlenianie, zaleca się, aby jego termiczne odparowywanie odbywało się przy ciśnieniu podstawowym 5 × 10-7 Torr lub niższym.</li>
			<li>Ustaw współczynniki kalibracji grubości na QCM. W przypadku wanadu gęstość wynosi 5,96 g/cm3, a współczynnik Z wynosi 0,530.</li>
			<li>Włącz zasilanie termicznego odparowywania źródła wanadu. Powoli zwiększaj moc grzewczą wolframowej łodzi, aż ślimaki wanadu się stopią.</li>
			<li>Przy zamkniętej żaluzji podłoża powoli zwiększaj moc grzewczą, aż do osiągnięcia szybkości osadzania 2 TΥ/s, na odczyt QCM. Otwórz przesłonę podłoża, aby rozpocząć osadzanie wanadu. W międzyczasie zresetuj skumulowaną grubość QCM do zera.</li>
			<li>Kontynuować osadzanie aż do uzyskania pozornej grubości 50 nm. Zamknij przesłonę podłoża.</li>
			<li>Stopniowo zmniejszaj moc parowania termicznego do zera. Wyłącz źródło.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Osadzanie się nanodrutów bizmutu
	<ol>
		<li>W przypadku osadzania bizmutu w temperaturze powyżej lub poniżej RT należy ustawić żądaną wartość w regulatorze temperatury. Poczekaj, aż zostanie osiągnięta żądana temperatura.</li>
		<li>Ustaw współczynniki kalibracji grubości na QCM. W przypadku bizmutu gęstość wynosi 9,78 g/cm3, a współczynnik Z wynosi 0,790.</li>
		<li>Włącz zasilanie termicznego odparowywania do źródła bizmutu. Powoli zwiększaj moc grzewczą łodzi wolframowej, aż do osiągnięcia szybkości osadzania 2 TΥ / s, zgodnie z odczytem QCM.</li>
		<li>Otwórz żaluzję podłoża, aby rozpocząć osadzanie bizmutu. W międzyczasie zresetuj skumulowaną grubość QCM do zera.</li>
		<li>Kontynuować osadzanie aż do uzyskania pozornej grubości 50 nm. Zamknij przesłonę podłoża.</li>
		<li>Stopniowo zmniejszaj moc parowania termicznego do zera. Wyłącz źródło.</li>
		<li>Wyłącz zasilanie termicznej chłodnicy/grzejnika elektrycznego.</li>
		<li>Odpowietrzyć komorę osadzania do ciśnienia atmosferycznego i otworzyć komorę. Wyjmij uchwyt podłoża i zbierz podłoża pokryte nanodrutami bizmutu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Hu, J. T., Odom, T. W., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemistry+and+physics+in+one+dimension%3A+Synthesis+and+properties+of+nanowires+and+nanotubes%5BTitle%5D)+AND+%22Acc.+Chem.+Res%22%5BJournal%5D)">Chemistry and physics in one dimension: Synthesis and properties of nanowires and nanotubes.</a> Acc. Chem. Res. 32, 435-445 (1999).</li>
<li>Akimov, A. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+single+optical+plasmons+in+metallic+nanowires+coupled+to+quantum+dots%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Generation of single optical plasmons in metallic nanowires coupled to quantum dots.</a> Nature. 450, 402-406 (2007).</li>
<li>Thurn-Albrecht, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrahigh-density+nanowire+arrays+grown+in+self-assembled+diblock+copolymer+templates%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Ultrahigh-density nanowire arrays grown in self-assembled diblock copolymer templates.</a> Science. 290, 2126-2129 (2000).</li>
<li>Xia, Y. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((One-dimensional+nanostructures%3A+Synthesis%2C+characterization%2C+and+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">One-dimensional nanostructures: Synthesis, characterization, and applications.</a> Adv. Mater. 15, 353-389 (2003).</li>
<li>Gudiksen, M. S., Lauhon, L. J., Wang, J., Smith, D. C., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Growth+of+nanowire+superlattice+structures+for+nanoscale+photonics+and+electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Growth of nanowire superlattice structures for nanoscale photonics and electronics.</a> Nature. 415, 617-620 (2002).</li>
<li>Yang, P. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+growth+of+ZnO+nanowires+and+their+optical+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Controlled growth of ZnO nanowires and their optical properties.</a> Adv. Funct. Mater. 12, 323-331 (2002).</li>
<li>Allen, J. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+detection+of+Au+catalyst+atoms+in+Si+nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Nanotech%22%5BJournal%5D)">High-resolution detection of Au catalyst atoms in Si nanowires.</a> Nature Nanotech. 3, 168-173 (2008).</li>
<li>Lin, Y. M., Sun, X. Z., Dresselhaus, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Theoretical+investigation+of+thermoelectric+transport+properties+of+cylindrical+Bi+nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Theoretical investigation of thermoelectric transport properties of cylindrical Bi nanowires.</a> Phys. Rev. B. 62, 4610-4623 (2000).</li>
<li>Isaacson, R. T., Williams, G. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alfv%C3%A9n-Wave+propagation+in+solid-state+plasmas.+III.+Quantum+oscillations+of+the+Fermi+surface+of+bismuth%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev%22%5BJournal%5D)">Alfvén-Wave propagation in solid-state plasmas. III. Quantum oscillations of the Fermi surface of bismuth.</a> Phys Rev. 185, 682-688 (1969).</li>
<li>Sandomirskii, V. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+size+effect+in+a+semimetal+film%5BTitle%5D)+AND+%22Sov.+Phys.+JETP%22%5BJournal%5D)">Quantum size effect in a semimetal film.</a> Sov. Phys. JETP. 25, 101-106 (1967).</li>
<li>Huber, T. E., Nikolaeva, A., Gitsu, D., Konopko, L., Graf, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantum+confinement+and+surface-state+effects+in+bismuth+nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+E%22%5BJournal%5D)">Quantum confinement and surface-state effects in bismuth nanowires.</a> Physica E. 37, 194-199 (2007).</li>
<li>Black, M. R., Lin, Y. M., Cronin, S. B., Rabin, O., Dresselhaus, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Infrared+absorption+in+bismuth+nanowires+resulting+from+quantum+confinement%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Infrared absorption in bismuth nanowires resulting from quantum confinement.</a> Phys. Rev. B. 65, 2921-2930 (2002).</li>
<li>Hofmann, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+surfaces+of+bismuth%3A+Structural+and+electronic+properties%5BTitle%5D)+AND+%22Prog.+Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">The surfaces of bismuth: Structural and electronic properties.</a> Prog. Surf. Sci. 81, 191-245 (2006).</li>
<li>Huber, T. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Confinement+effects+and+surface-induced+charge+carriers+in+Bi+quantum+wires%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Phys+Lett%22%5BJournal%5D)">Confinement effects and surface-induced charge carriers in Bi quantum wires.</a> Appl Phys Lett. 84, 1326-1328 (2004).</li>
<li>Huber, T. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+state+band+mobility+and+thermopower+in+semiconducting+bismuth+nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Surface state band mobility and thermopower in semiconducting bismuth nanowires.</a> Phys. Rev. B. 83, 235414-23 (2011).</li>
<li>Dresselhaus, M. S., et al. 23, 129-140 (2003).</li>
<li>Cheng, Y. -T., Weiner, A. M., Wong, C. A., Balogh, M. P., Lukitsch, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stress-induced+growth+of+bismuth+nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Phys+Lett%22%5BJournal%5D)">Stress-induced growth of bismuth nanowires.</a> Appl Phys Lett. 81, 3248-3250 (2002).</li>
<li>Volobuev, V. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+mechanism+of+Bi+nanowire+growth+from+Bi%2FCo+immiscible+composite+thin+films%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Nanosci.+Nanotech%22%5BJournal%5D)">The mechanism of Bi nanowire growth from Bi/Co immiscible composite thin films.</a> J. Nanosci. Nanotech. 12, 8624-8629 (2012).</li>
<li>Shim, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On-film+formation+of+Bi+nanowires+with+extraordinary+electron+mobility%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">On-film formation of Bi nanowires with extraordinary electron mobility.</a> Nano Lett. 9, 18-22 (2009).</li>
<li>Berglund, S. P., Rettie, A. J. E., Hoang, S., Mullins, C. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Incorporation+of+Mo+and+W+into+nanostructured+BiVO4+films+for+efficient+photoelectrochemical+water+oxidation%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Chem.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Incorporation of Mo and W into nanostructured BiVO4 films for efficient photoelectrochemical water oxidation.</a> Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 7065-7075 (2012).</li>
<li>Liu, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface-Energy+Induced+Formation+of+Single+Crystalline+Bismuth+Nanowires+over+Vanadium+Thin+Film+at+Room+Temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Surface-Energy Induced Formation of Single Crystalline Bismuth Nanowires over Vanadium Thin Film at Room Temperature.</a> Nano Lett. 14, 5630-5635 (2014).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Wzrost nanodrutów bizmutu należy przeprowadzić w systemie fizycznego osadzania z fazy gazowej z co najmniej dwoma źródłami osadzania, jednym dla bizmutu, a drugim dla wanadu. Zaleca się, aby jednym ze źródeł było źródło rozpylania magnetronowego do osadzania wanadu. Wysokie podciśnienie osiąga się dzięki pompom turbomolekularnym wspieranym przez suchą pompę spiralną. System osadzania z fazy gazowej jest wyposażony w skalibrowaną mikrowagę kwarcową (QCM) do monitorowania grubości in situ . System osadzania z fazy...

Nanodruty ograniczają transport nośników ładunku i innych kwazicząstek, takich jak fotony i plazmony, w jednym wymiarze. W związku z tym nanodruty zwykle wykazują nowatorskie właściwości elektryczne, magnetyczne, optyczne i chemiczne, co daje im niemal nieskończony potencjał do zastosowań w mikro/nanoelektronice, fotonice, technologiach biomedycznych, środowiskowych i związanych z energią. 1,2 W ciągu ostatnich dwóch dekad opracowano liczne podejścia odgórne i oddolne w celu syntezy szerokiej gamy wysokiej jakości nanodrutów metalowych lub półprzewodnikowych na skalę laboratoryjną. 3-6 Pomimo tych zmian, każde podejście opiera się na pewnych unikalnych właściwościach produktu końcowego, aby odnieść sukces. Na przykład popularna metoda para-ciecz-ciało stałe (VLS) lepiej nadaje się do materiałów półprzewodnikowych, które mają wyższą temperaturę topnienia i tworzą stop eutektyczny z odpowiednimi "nasionami" katalitycznymi. 7 W związku z tym synteza materiału nanoprzewodowego o szczególnym znaczeniu może nie być objęta istniejącymi technikami.
Jako półmetal z małym pośrednim nakładaniem się pasm (-38 meV przy 0 K) i niezwykle lekkimi nośnikami ładunku, bizmut jest jednym z takich przykładów. Materiał zachowuje się radykalnie inaczej przy zmniejszonych wymiarach w porównaniu z jego masą, ponieważ uwięzienie kwantowe może przekształcić nanodruty bizmutu lub cienkie warstwy w półprzewodnik o wąskim paśmie wzbronionym. 8-12 W międzyczasie powierzchnia bizmutu tworzy quasi-dwuwymiarowy metal, który jest znacznie bardziej metaliczny niż jego masa. 13,14 Wykazano, że powierzchnia bizmutu osiąga ruchliwość elektronów 2×104 cm2 V-1 sec-1 i silnie przyczynia się do jego mocy termoelektrycznej w postaci nanoprzewodów. 15 W związku z tym istnieje duże zainteresowanie badaniem nanodrutów bizmutu do zastosowań elektronicznych, a w szczególności termoelektrycznych. 12-16 Jednak ze względu na bardzo niską temperaturę topnienia bizmutu (544 K) i gotowość do utleniania, synteza wysokiej jakości i monokrystalicznych nanodrutów bizmutu przy użyciu tradycyjnych technik fazy gazowej lub fazy roztworu pozostaje wyzwaniem.
Poprzednio kilka grup informowało, że pojedyncze krystaliczne nanodruty bizmutu rosną z niską wydajnością podczas próżniowego osadzania cienkiej warstwy bizmutu, co przypisuje się uwalnianiu naprężeń wbudowanych w folię. 17-20 Niedawno odkryliśmy nową technikę, która opiera się na termicznym odparowywaniu bizmutu w wysokiej próżni i prowadzi do skalowalnego tworzenia monokrystalicznych nanodrutów bizmutu z wysoką wydajnością. 21 W porównaniu z poprzednio opisanymi metodami, najbardziej unikalną cechą tej techniki jest to, że podłoże wzrostowe jest świeżo pokryte cienką warstwą nanoporowatego wanadu przed osadzaniem bizmutu. Podczas parowania termicznego tego ostatniego opary bizmutu przenikają do nanoporowatej struktury filmu wanadowego i kondensują się tam w postaci nanodomen. Ponieważ wanad nie jest zwilżany skondensowanym bizmutem, infiltrowane domeny są następnie wydalane z matrycy wanadu, aby uwolnić ich energię powierzchniową. Jest to ciągłe wydalanie nanodomen bizmutu, które tworzą pionowe nanodruty bizmutu. Ponieważ domeny bizmutu mają średnicę zaledwie 1-2 nm, podlegają znacznemu tłumieniu temperatury topnienia, co sprawia, że są prawie stopione w temperaturze pokojowej. W rezultacie, wzrost nanodrutów postępuje wraz z substratem utrzymywanym w temperaturze pokojowej. Z drugiej strony, ponieważ migracja domen bizmutu jest aktywowana termicznie, długość i szerokość nanodrutów można dostroić w szerokim zakresie, po prostu kontrolując temperaturę podłoża wzrostowego. Ten szczegółowy protokół wideo ma na celu pomóc początkującym praktykom w tej dziedzinie uniknąć różnych typowych problemów związanych z fizycznym osadzaniem cienkich warstw z fazy gazowej w środowisku beztlenowym o wysokiej próżni.

<table><tbody><tr><td>Bizmut</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>556130</td><td>granulowany, 99,999%</td></tr><tr><td>wanadowy ślimak</td><td>Alfa Aesar</td><td>42829</td><td>3,175&nbsp; mm (0,125&nbsp; w) średnica x 6,35&nbsp; mm (0,25&nbsp; in) długość, 99,8%</td></tr> <tr><td>cel rozpylania wanadu</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EJTVXXX253A2</td><td>3,00 "średnica x 0,125" grubość, 99,5%</td></tr> <tr><td>aceton</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>179124</td><td>>99,5%</td></tr> <tr><td>etanol</td><td>Alfa Aesar</td><td>33361</td><td>Bezwodny</td></tr><tr><td>wafel krzemowy Wafle</td><td></td><td>uniwersyteckie</td> o <td>grubości 300 mikronów, orientacja (100)</td></tr><tr><td>Epoksyd wypełniony srebrem</td><td>Circuit Works</td><td>CW2400</td><td>Dwuskładnikowa przewodząca żywica epoksydowa</td></tr><tr><td>Łódź wolframowa, pokryta tlenkiem glinu</td><td>RD Mathis</td><td>S9B-AO-W</td><td>Do termicznego odparowywania bizmutu</td></tr> TD <tr><td>Mathis</td><td>S4-.015W</td><td>Do termicznego odparowywania wanadu</td><td></td></tr><tr><td>RIE Plasma</td><td>Nordson March</td><td>CS-1701</td><td></td></tr><tr><td>PVD 75 Platforma do osadzania par</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>PEDP75FTCLT001</td><td>Wyposażony w trzy źródła parowania termicznego i jedno źródło rozpylania magnetronowego DC</td></tr><tr><td>Termoelektryczny regulator temperatury</td><td>LairdTech</td><td>MTTC-1410</td><td></td></tr><tr><td>PT1000 RGD</td><td>LairdTech</td><td>340912-01</td> Czujnik temperatury do modułu termoelektrycznego <td>MTTC-1410</td></tr><tr><td></td><td>LairdTech</td><td>56910-502</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonograf</td><td>Crest Ultrasonics</td><td>Tru-Sweep 175</td><td></td></tr></tbody></table>

bezzasieenny wzrost nanodrutu bizmutu poprzez próżniowe odparowanie termiczne

Seedless Growth of Bismuth Nanowire Array via Vacuum Thermal Evaporation

Tutaj zademonstrowano technikę bezziarnistego i bezszablonowego do skalowalnego wzrostu nanodrutów bizmutu, poprzez termiczne odparowywanie w wysokiej próżni w RT. Tradycyjnie zarezerwowane do produkcji cienkich warstw metalu, termiczne odparowanie osadza bizmut w szeregu pionowych monokrystalicznych nanodrutów na płaskiej cienkiej warstwie wanadu utrzymywanej w temperaturze RT, która jest świeżo osadzana przez rozpylanie magnetronowe lub termiczne odparowywanie. Kontrolując temperaturę podłoża wzrostowego, można dostroić długość i szerokość nanodrutów w szerokim zakresie. Za tę nowatorską technikę odpowiedzialny jest nieznany wcześniej mechanizm wzrostu nanodrutów, który ma swoje korzenie w łagodnej porowatości cienkiej warstwy wanadu. Infiltrowane do porów wanadu domeny bizmutu (~ 1 nm) przenoszą nadmierną energię powierzchniową, która tłumi ich temperaturę topnienia i w sposób ciągły wyrzuca je z matrycy wanadu, tworząc nanodruty. Odkrycie to pokazuje wykonalność skalowalnej syntezy nanomateriałów o wysokiej czystości w fazie gazowej bez użycia jakichkolwiek katalizatorów.

Przekroje obrazów SEM warstw podkładowych z wanadu, otrzymanych metodą rozpylania magnetronowego oraz odparowania termicznego, przedstawiono na Rysunku 2. Obrazy z pomiarów skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) przedstawiono dla nanowire'ów bizmutowych utworzonych w różnych temperaturach podłoża (Rysunek 3). Strukturę krystaliczną nanowire'ów bizmutowych określono za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), dyfrakcji elektronów z wybranej powierzchni (SAED) oraz dyfrakcj...

Przedstawiono protokół beznasiennego i wysokowydajnego wzrostu matryc nanodrutowych bizmutu za pomocą techniki próżniowego termicznego odparowywania.

Bezzasieenny wzrost nanodrutu bizmutu poprzez próżniowe odparowanie termiczne

Here a seedless and template-free technique is demonstrated to scalably grow bismuth nanowires, through thermal evaporation in high vacuum at RT. ...

Ogólnym celem niniejszej procedury eksperymentalnej jest skalowalny wzrost monokrystalicznych nanodrutów bizmutu poprzez odparowanie termiczne w wysokiej próżni. Metoda ta może być wykorzystana do syntezy wysokiej jakości nanodrutów bizmutu o wysokiej wydajności. Materiał ten budzi duże zainteresowanie w dziedzinie badań nad półprzewodnictwem.Główną zaletą tej techniki jest brak konieczności stosowania katalizatorów lub zarodków oraz fakt, że procedura syntezy odbywa się w wysokiej próżni, dzięki czemu nanodruty powstają w stanie najwyższej czystości. Metoda ta pozwala zrozumieć, w jaki sposób porowatość w skali nanometrów indukuje spontaniczny wzrost nanodrutów bizmutowych, jednak powinna być ona również możliwa do zastosowania w innych układach o niskiej temperaturze topnienia, takich jak ind i cyna. Aby rozpocząć, należy wyrównać ciśnienie w komorze osadzania do ciśnienia atmosferycznego i otworzyć komorę.Odpowietrzanie wykonuje się poprzez naciśnięcie przycisku start PC venting w interfejsie oprogramowania sterującego, co automatycznie uruchamia sekwencję odpowietrzania komory do ciśnienia atmosferycznego. Po osiągnięciu ciśnienia atmosferycznego otwórz komorę, pociągając za przednie drzwi dostępowe.Następnie zamontuj wolframową łódkę do odparowania pomiędzy parą elektrod do odparowywania termicznego. Umieść jeden gram granulek bizmutu w łódce do odparowania i zamontuj tarczę z wanadu do źródła rozpylania magnetronowego. Następnie podłącz mini złącza bananowe kontrolera temperatury z zamkniętą pętlą do przejścia elektrycznego systemu osadzania.Aby oczyścić podłoża wzrostowe za pomocą plazmy tlenowej, należy umieścić podłoża w czyszczarce plazmowej i odpompować powietrze z komory, naciskając przycisk vac on, aż do osiągnięcia ciśnienia bazowego 10 millitorr. Otwórz zawór gazu tlenowego i wprowadź tlen do komory, naciskając przycisk gas on na przednim panelu. Dostosuj natężenie przepływu, naciskając przyciski INCR i DECR służące do kontroli przepływu gazu, aby utrzymać ciśnienie w komorze na poziomie około 100 millitorr.Następnie ustaw moc plazmy na 20 W, naciskając przyciski INCR i DECR służące do kontroli mocy, i wzbudź plazmę, naciskając przycisk RF on. Odczekaj pięć minut przed wyłączeniem plazmy za pomocą przycisku RF on. Następnie odpowietrz komorę, naciskając przycisk bleed, przed wyjęciem podłoży w celu załadowania nowego podłoża.W pierwszej kolejności zamocuj zestaw kontroli temperatury podłoża do uchwytu podłoża. Użyj klipsów sprężystych, aby zamocować podłoża do wzrostu na górze zestawu chłodnicy i grzałki Peltiera. Następnie zamontuj w pełni złożony uchwyt podłoża w komorze osadzania z fazy gazowej.Przy podłożach skierowanych w stronę źródeł osadzania, podłącz przejścia elektryczne do zestawu grzewczego chłodnice Peltiera. Zamknij przesłonę podłoża, aby uniknąć niezamierzonego osadzania na podłożu. Następnie rozpocznij pompowanie komory osadzania.Pompowanie odbywa się poprzez naciśnięcie przycisku start PC pumping w interfejsie oprogramowania sterującego, co automatycznie uruchamia sekwencję pompowania komory do ciśnienia bazowego w celu osadzenia wanadu za pomocą źródła rozpylania magnetronowego. Uruchom przepływ argonu w źródle rozpylania. Ustaw natężenie przepływu w zakresie od 40 do 50 standard cubic centimeters per minute. Dostosuj prędkość obrotową pomp turbomolekularnych tak, aby uzyskać ciśnienie w komorze od 2,5 do 3 millitorr w czasie, gdy komora stopniowo osiąga stabilne ciśnienie.Ustaw czynniki kalibracji grubości w mikrowadze kwarcowej (QCM) dla wanadu. Gęstość wynosi 5,96 g/cm³, a czynnik Z wynosi 0,530. Włącz źródło rozpylania DC i ustaw moc w zakresie od 200 do 250 W bez otwierania migawki podłoża.Pozostaw źródło włączone przez dwie minuty. Otwórz migawkę podłoża, aby rozpocząć osadzanie wanadu. W międzyczasie zresetuj skumulowaną grubość QCM do zera.Kontynuuj osadzanie, aż odczyt QCM wskaże uzyskanie pozornej grubości 20 nanometrów. Następnie zamknij przysłonę podłoża i stopniowo zmniejsz moc rozpylania do zera. Wyłącz źródło, a następnie zatrzymaj przepływ argonu.Na koniec przywróć pompę turbomolekularną do pełnej mocy. Bardzo ważne jest, aby temperatura podłoża była utrzymywana stabilnie i precyzyjnie, ponieważ linie nanowirusów są silnie uwarunkowane temperaturą. W przypadku osadzania bizmutu w temperaturach powyżej lub poniżej temperatury pokojowej, ustaw żądaną wartość w kontrolerze temperatury. Odczekaj, aż zostanie osiągnięta pożądana temperatura.Ustaw współczynniki kalibracji grubości w QCM dla bizmutu. Gęstość wynosi 9,78 g/cm³, a czynnik Z wynosi 0,790. Włącz zasilacz naparowania termicznego dla źródła bizmutu.Następnie powoli zwiększaj moc grzania łódeczki wolframowej, aż do osiągnięcia szybkości osadzania wynoszącej 2 Å/s. Na podstawie odczytu QCM zresetuj skumulowaną grubość QCM do zera. Jednocześnie otwórz migawkę podłoża, aby rozpocząć osadzanie bizmutu.Kontynuuj osadzanie, aż zostanie osiągnięta pozorna grubość 50 nanometrów. Następnie zamknij shutters podłoża. Stopniowo zmniejszaj moc parowania termicznego do zera.Wyłącz źródło. Wyłącz zasilanie grzejnika chłodnicy termoelektrycznej. Odpowietrz komorę osadzania do ciśnienia atmosferycznego i otwórz komorę.Na koniec wyjmij uchwyt do podłoży i zbierz podłoża pokryte nanodrutami bizmutu. Przedstawiono tutaj obrazy z transmisyjnej skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) przekroju warstwy podkładowej z wanadu otrzymanej metodami rozpylania magnetronowego oraz odparowania termicznego. Przedstawiono obrazy SEM dla nanodrutów bizmutu utworzonych w różnych temperaturach podłoży.Struktura krystaliczna nanodrutów bismutowych została określona za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej, dyfrakcji elektronów z wybranej powierzchni oraz badań dyfrakcyjnych promieni rentgenowskich. Analiza pierwiastkowa za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii wskazuje, że nanodruty bismutowe nie tworzą stopu z podwarstwą wanadu. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć sposób prowadzenia wzrostu.Kryształy pojedyncze nanodrutów otrzymuje się poprzez odparowanie termiczne w wysokiej próżni. Podczas przeprowadzania tej procedury ważne jest precyzyjne kontrolowanie temperatury podłoża, ponieważ może ona znacząco wpływać na wymiary nanodrutów. Niskie ciśnienie bazowe jest również kluczowe, aby uniknąć utleniania odparowanych materiałów po ich osadzeniu. Technika ta utorowała drogę badaczom w dziedzinie syntezy nanostruktur do wykorzystania energii powierzchniowej jako siły napędowej w otrzymywaniu wysokiej jakości i hiperstruktur nanometrycznych.

seedless-growth-bismuth-nanowire-array-via-vacuum-thermal

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Ten artykuł opisuje prostą metodę wytwarzania pionowo ustawionych matryc nanorurek węglowych za pomocą CVD, a następnie dostrajania ich właściwości zwilżania poprzez wystawienie ich na wyżarzanie próżniowe lub obróbkę utleniania na sucho.

Procesy utleniania na sucho i wyżarzania próżniowego w celu dostrojenia właściwości zwilżających matryc z nanorurek węglowych

Opisujemy protokół produkcji i pomiaru urządzeń dla biosensorów wysokiej częstotliwości opartych na nanorurkach węglowych. Technika wykrywania wysokiej częstotliwości łagodzi podstawowy efekt ekranowania jonowego (Debye) i umożliwia pracę biosensora z nanorurkami w roztworach o wysokiej sile jonowej, w których zawodzą konwencjonalne bioczujniki elektroniczne. Nasza technologia stanowi unikalną platformę dla elektronicznych bioczujników przyłóżkowych (POC) działających w warunkach fizjologicznie...

Wytwarzanie nanoelektronicznego biosensora wysokiej częstotliwości z nanorurek węglowych do wykrywania w roztworach o wysokiej sile jonowej

Przedstawiamy prostą metodę wytwarzania ultrawysokiej gęstości pionowo uporządkowanych małocząsteczkowych nanodrutów organicznych. Metoda ta pozwala na syntezę złożonych, heterostrukturalnych hybrydowych geometrii nanodrutów, które można niedrogo hodować na dowolnych podłożach. Struktury te mają potencjalne zastosowania w elektronice organicznej, optoelektronice, detekcji chemicznej, fotowoltaice i spintronice.

Układ ultrawysokiej gęstości pionowo ustawionych małocząsteczkowych nanodrutów organicznych na dowolnych podłożach

Opracowana została technika, która usuwa kontaktowe warstwy metalowe Ni/Au z ich podłoża, aby umożliwić zbadanie i scharakteryzowanie interfejsów kontakt/podłoże i kontakt/NW pojedynczych urządzeń nanoprzewodowych GaN.

Analiza interfejsów stykowych dla urządzeń z pojedynczym gazem nanoprzewodowym

Szczegółowa procedura domieszkowania powierzchni interfejsów krzemowych jest podana. Ultrapłytkie domieszkowanie powierzchni jest demonstrowane poprzez zastosowanie monowarstw zawierających fosfor i szybki proces wyżarzania. Metoda może być stosowana do domieszkowania makroskopowych powierzchni powierzchniowych, a także nanostruktur.

Jednowarstwowe domieszkowanie kontaktowe powierzchni krzemowych i nanodrutów przy użyciu związków fosforoorganicznych

Przedstawiono różne procedury przygotowania atomowo zdefiniowanych szablonów do epitaksjalnego wzrostu złożonych cienkich warstw tlenkowych. Przeprowadzono obróbkę chemiczną monokrystalicznych substratów SrTiO3 (001) i DyScO3 (110) w celu uzyskania atomowo gładkich, jednozakończonych powierzchni. Ca2 Nb3 O10- nanoarkusze wykorzystano do stworzenia atomowo zdefiniowanych szablonów na dowolnych podłożach.

Atomowo zdefiniowane matryce do epitaksjalnego wzrostu złożonych cienkich warstw tlenkowych

Siarczek cyny (SnS) jest materiałem kandydującym na nietoksyczne ogniwa słoneczne występujące w dużych ilościach na Ziemi. Tutaj demonstrujemy procedurę wytwarzania ogniw słonecznych SnS wykorzystującą osadzanie warstw atomowych, które daje 4,36% certyfikowaną sprawność konwersji energii, oraz parowanie termiczne, które daje 3,88%.

Wytwarzanie rekordowo wydajnych ogniw słonecznych SnS metodą termicznego odparowywania i osadzania warstw atomowych

Przedstawiono metodę hodowli niskotemperaturowych, pionowo ustawionych nanorurek węglowych, a następnie wytwarzania pionowych struktur testowych połączeń elektrycznych przy użyciu wytwarzania półprzewodników.

Produkcja niskotemperaturowych pionowych połączeń z nanorurek węglowych kompatybilnych z technologią półprzewodnikową

Zgłaszamy metodę opartą na roztworze do syntezy nanodrutów Au związanych z substratem. Dzięki dostrojeniu ligandów molekularnych używanych podczas syntezy, nanodruty Au mogą być hodowane z różnych substratów o różnych właściwościach powierzchniowych. Nanostruktury oparte na nanodrutach Au można również syntetyzować, dostosowując parametry reakcji.

Synteza nanodrutów Au związanych z substratem za pomocą mechanizmu aktywnego wzrostu powierzchni

Artykuł ma na celu wprowadzenie standardowej i niezawodnej procedury produkcji dla rozwoju przyszłej niskowymiarowej nanoelektroniki.

Standardowa i niezawodna metoda wytwarzania dwuwymiarowej nanoelektroniki

Tutaj opisujemy metody mikrofabrykacji pionowo ustawionych nanowłókien węglowych (VACNF), przenoszenia VACNFów na elastyczne podłoża i stosowania VACNFów zarówno na sztywnych, jak i elastycznych podłożach do roślin w celu dostarczania biomolekuł i barwników.

Stosowanie pionowo ustawionych układów nanowłókien węglowych na sztywnych lub elastycznych podłożach do dostarczania biomolekuł i barwników do roślin

Poznaj metodę próżniowego odparowania termicznego do bezszablonowego wzrostu nanodrutów bizmutu. Technika umożliwia skalowalną syntezę wysokiej czystości nanostruktur półprzewodnikowych bez katalizatorów.

Bezzasieenny wzrost nanodrutu bizmutu poprzez próżniowe odparowanie termiczne

Przeglądaj więcej filmów