Name: Chemiczne osadzanie z fazy gazowej struktur tlenków metali wspomagane aerozolem: pręty z tlenku (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-09-14T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 39 s
Description: Poznaj metodę osadzania prętów z tlenku cynku na podłożach krzemowych bez użycia katalizatorów. Technika AACVD umożliwia skalowalną produkcję struktur nanorozmiarowych.

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

playerTrialDesktop

Ta praca została częściowo wsparta przez hiszpańskie Ministerstwo Nauki i Innowacji poprzez Grant TEC2015-74329-JIN-(AEI/FEDER,EU), TEC2016-79898-C6-1-R (AEI/FEDER, UE) oraz TEC-2013-48147-C6-6R (AEI/FEDER, UE). SV dziękuje za wsparcie programu SoMoPro II, współfinansowanego przez Unię Europejską i Kraj Południowomorawski, za pośrednictwem grantu 4SGA8678. JČ przyjmuje do wiadomości dofinansowanie udzielone przez MEYS, nr projektu. LQ1601 (CEITEC 2020). W ramach tych badań wykorzystano infrastrukturę Centrum Badawczego SIX, głównych obiektów CEITEC w ramach projektu CEITEC – otwartego dostępu w ramach LM2011020 grantowego finansowanego przez Ministerstwo Edukacji, Młodzieży i Sportu Republiki Czeskiej oraz hiszpańskiej sieci ICTS MICRONANOFABS częściowo wspieranej przez MINECO.

Uwagi: Ze względów bezpieczeństwa, komórka reakcyjna i generator aerozolu są umieszczone wewnątrz dygestoria. Używaj pęsety do obchodzenia się z próbkami, noś rękawice, fartuch laboratoryjny i okulary oraz postępuj zgodnie z powszechnymi laboratoryjnymi praktykami bezpieczeństwa.
1 . Przygotowanie substratów i ustawienie temperatury osadzania
<ol>
	<li>Wytnij podłoża krzemowe o wymiarach 10 mm x 10 mm za pomocą rysika z diamentową końcówką (wymiary podłoża zostały dostosowane do wielkości naszej celi reakcyjnej). Do tego eksperymentu wykorzystano domowej roboty cylindryczną komórkę reakcyjną ze stali nierdzewnej o wewnętrznej objętości ~7 000 mm3 (średnica: 30 mm, wysokość: 10 mm) dostosowaną do wymiarów mikroobrabianych platform na bazie krzemu stosowanych do produkcji czujników gazu.</li>
	<li>Oczyść podłoża w izopropanolu, spłucz wodą dejonizowaną i wysusz je azotem, aby zapewnić dobrą przyczepność folii i równomierne pokrycie podłoża.</li>
	<li>Umieścić substrat w komorze reakcyjnej. W przypadku korzystania z mikroobrabianych platform na bazie krzemu, zamiast gołych podłoży silikonowych do wytwarzania czujników gazu, należy umieścić mikroobrabiane platformy w komorze reakcyjnej, a następnie wyrównać z maską cienia, aby ograniczyć wzrost materiału do obszaru zainteresowania.</li>
	<li>Zamknąć komórkę reakcyjną. Upewnij się, że pokrywa komory reakcyjnej jest prawidłowo uszczelniona, aby uniknąć wycieku form reaktywnych.</li>
	<li>Włączenie systemu kontroli temperatury, składającego się z grzałek rezystancyjnych zintegrowanych z komórką reakcyjną, termopary do wykrywania temperatury podłoża oraz regulatora proporcjonalno-całkująco-pochodnej (PID).</li>
	<li>Ustaw temperaturę na 400 °C i pozwól jej się ustabilizować (proces ten trwa około 30 minut, ale może się zmieniać w zależności od wymiarów komory reakcyjnej i charakterystyki systemu kontroli temperatury).</li>
</ol>
2 . Przygotowanie roztworu do wytwarzania aerozolu
<ol>
	<li>Dodać 50 mg ZnCl2 do szklanej fiolki o pojemności 100 ml wyposażonej w pułapkę próżniową (złącze 29/32, długość 200 mm, króćce węża 5 mm).</li>
	<li>Rozpuścić ZnCl2 w 5 ml etanolu, a następnie zakryć fiolkę pułapką próżniową. Upewnij się, że końcówka rury odprowadzanej znajduje się 60 mm nad dnem fiolki i nie zanurza się w roztworze. W razie potrzeby należy użyć szklanych zacisków do złączy, aby zabezpieczyć fiolkę i pułapkę próżniową razem podczas procesu CVD.</li>
	<li>Zacisknąć fiolkę na uniwersalnym wsporniku. Dostosuj wysokość tak, aby stykała się z dnem fiolki i optymalnym punktem ogniskowym rozpylacza ultradźwiękowego, który działa z częstotliwością 1,6 MHz i dostarcza średnią wielkość kropelek aerozolu ∼3 μm.</li>
	<li>Podłączyć wlot i wylot syfonu próżniowego odpowiednio do przewodu azotowego i komory reakcyjnej, jak pokazano na uproszczonym schemacie układu CVD wspomaganego aerozolem w <silna klasa="xfig">Rysunek 1.</li>
	<li>Do każdego osadzania używaj świeżego roztworu reagentów.</li>
</ol>
3 . Proces CVD
<ol>
	<li>Przed rozpoczęciem procesu CVD należy sprawdzić, czy temperatura w komorze reakcyjnej osiągnęła stan ustalony.</li>
	<li>Dostosuj przepływ azotu do 200 cm3/min i pozwól mu przepływać przez system (natężenie przepływu zostało dostrojone zgodnie z wymiarami komory reakcyjnej używanej w naszych eksperymentach). Zaleca się stosowanie regulatora przepływu masowego w celu zapewnienia stałego przepływu podczas osadzania.</li>
	<li>Włączyć generator aerozolu i utrzymywać aerozol na stałym poziomie podczas procesu, aż roztwór zawierający prekursor zostanie całkowicie dostarczony do komórki reakcyjnej (proces ten trwa około 120 minut, biorąc pod uwagę objętość roztworu 5 ml i natężenie przepływu 200cm3/min).</li>
	<li>Gdy tylko roztwór zostanie w pełni dostarczony do komory reakcyjnej, należy wyłączyć generator aerozolu i system temperatury, aby schłodzić komorę reakcyjną. W międzyczasie utrzymuj przepływ azotu w całym systemie.</li>
	<li>Gdy temperatura spadnie do temperatury pokojowej, zamknij przepływ azotu, otwórz komórkę reakcyjną i usuń próbki. Podłoże będzie miało szarawy matowy kolor na powierzchni, inny niż błyszcząca, goła płytka krzemowa (mikroobrabiane platformy na bazie krzemu mają podobny wygląd po etapie CVD). Ten matowy kolor jest związany z obecnością kolumnowych struktur ZnO w postaci pręcików, takich jak te obserwowane za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (<silna klasa="xfig">Rysunek 2).</li>
</ol>

<ol><li>Kozuka, Y., Tsukazaki, A., Kawasaki, M. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4853535">Challenges and opportunities of ZnO-related single crystalline heterostructures.</a> Appl Phys Rev. 1 (1), 011303(2014).</li>
<li>Wang, Z. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Splendid+One-Dimensional+Nanostructures+of+Zinc+Oxide%3A+A+New+Nanomaterial+Family+for+Nanotechnology%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Splendid One-Dimensional Nanostructures of Zinc Oxide: A New Nanomaterial Family for Nanotechnology.</a> ACS Nano. 2 (10), 1987-1992 (2008).</li>
<li>Pal, J., Pal, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Faceted+metal+and+metal+oxide+nanoparticles%3A+design%2C+fabrication+and+catalysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Faceted metal and metal oxide nanoparticles: design, fabrication and catalysis.</a> Nanoscale. 7 (34), 14159-14190 (2015).</li>
<li>Sun, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.mdpi.com/2073-4344/6/12/188">The Applications of Morphology Controlled ZnO in Catalysis.</a> Catalysts. 6 (12), 188(2016).</li>
<li>Vallejos, S., Umek, P., Blackman, C. <a target="_blank" href="http://www.ingentaconnect.com/content/asp/jnn/2011/00000011/00000009/art00102?crawler=true">AACVD Control parameters for selective deposition of tungsten oxide nanostrucutres.</a> J Nanosci Nanotechnol. 11, 8214-8220 (2011).</li>
<li>Vallejos, S., et al. <a target="_blank" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27334232">Aerosol assisted chemical vapour deposition of gas sensitive SnO2and Au-functionalised SnO2nanorods via a non-catalysed vapour solid (VS) mechanism.</a> Sci Rep. 6, 28464(2016).</li>
<li>Hou, X., Choy, K. L. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cvde.200600033/abstract">Processing and Applications of Aerosol-Assisted Chemical Vapor Deposition.</a> Chem Vap Deposition. 12 (10), 583-596 (2006).</li>
<li>Ling, M., Blackman, C. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pssc.201510047/abstract">Growth mechanism of planar or nanorod structured tungsten oxide thin films deposited via aerosol assisted chemical vapour deposition (AACVD).</a> Phys Status Solidi C. 12 (7), 869-877 (2015).</li>
<li>Vallejos, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ZnO+Rods+with+Exposed+%7B100%7D+Facets+Grown+via+a+Self-Catalyzed+Vapor-Solid+Mechanism+and+Their+Photocatalytic+and+Gas+Sensing+Properties%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl+Mater+Inter%22%5BJournal%5D)">ZnO Rods with Exposed {100} Facets Grown via a Self-Catalyzed Vapor-Solid Mechanism and Their Photocatalytic and Gas Sensing Properties.</a> ACS Appl Mater Inter. 8 (48), 33335-33342 (2016).</li>
<li>Srikant, V., Clarke, D. R. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.367375">On the optical band gap of zinc oxide.</a> J Appl Phys. 83 (10), 5447-5451 (1998).</li>
<li>Gogurla, N., Sinha, A. K., Santra, S., Manna, S., Ray, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multifunctional+Au-ZnO+Plasmonic+Nanostructures+for+Enhanced+UV+Photodetector+and+Room+Temperature+NO+Sensing+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Multifunctional Au-ZnO Plasmonic Nanostructures for Enhanced UV Photodetector and Room Temperature NO Sensing Devices.</a> Sci Rep. 4, 6481-6489 (2014).</li>
<li>Sutka, A., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/ra/2015/c5ra11910c#!divAbstract">A straightforward and &#34;green&#34; solvothermal synthesis of Al doped zinc oxide plasmonic nanocrystals and piezoresistive elastomer nanocomposite.</a> RSC Advances. 5 (78), 63846-63852 (2015).</li>
<li>Vallejos, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400516307870">Chemoresistive micromachined gas sensors based on functionalized metal oxide nanowires: Performance and reliability.</a> Sens Actuator B. 235, 525-534 (2016).</li>
<li>Bhachu, D. S., Sankar, G., Parkin, I. P. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/cm302913b">Aerosol Assisted Chemical Vapor Deposition of Transparent Conductive Zinc Oxide Films.</a> Chem Mater. 24 (24), 4704-4710 (2012).</li>
<li>Chen, S., Wilson, R. M., Binions, R. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2015/TA/c5ta00446b#!divAbstract">Synthesis of highly surface-textured ZnO thin films by aerosol assisted chemical vapour deposition.</a> J Mater Chem. A. 3 (11), 5794-5797 (2015).</li>
<li>Murillo, G., Rodríguez-Ruiz, I., Esteve, J. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.cgd.6b00661">Selective Area Growth of High-Quality ZnO Nanosheets Assisted by Patternable AlN Seed Layer for Wafer-Level Integration.</a> Cryst Growth Des. 16 (9), 5059-5066 (2016).</li>
<li>Sosnowchik, B. D., Lin, L., Englander, O. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.3304835?journalCode=jap">Localized heating induced chemical vapor deposition for one-dimensional nanostructure synthesis.</a> J Appl Phys. 107 (5), (2010).</li>
<li>Annanouch, F. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400515004098">Localized aerosol-assisted CVD of nanomaterials for the fabrication of monolithic gas sensor microarrays.</a> Sens Actuators, B. 216, 374-383 (2015).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia

Opisana tutaj procedura CVD wspomagana aerozolem prowadzi do powstania prętów ZnO na płytkach silikonowych o wymiarach 10 mm x 10 mm. Procedurę tę można skalować w górę, aby pokryć większe powierzchnie; Należy jednak zauważyć, że zwiększenie objętości komory reakcyjnej będzie wymagało ponownego dostosowania parametrów, takich jak natężenie przepływu nośnika i objętość roztworu. W przypadku większych komórek reakcyjnych zaleca się również kontrolowanie gradientów temperatury w podłożu, ze względu na subtelne gradienty poniżej 10 °C, które mogą mieć silny wpływ na otrzymaną morfologię filmu, jak wykazano wcześniej w przypadku CVD wspomaganego aerozolem tlenku wolframu8. W celu odtworzenia przedstawionych tutaj wyników zalecamy użycie rozpylacza ultradźwiękowego o podobnej częstotliwości roboczej niż opisana w protokole, ponieważ parametr7 ma wpływ na średnią wielkość kropelki aerozolu, a co za tym idzie na wynikającą morfologię filmu.
Selektywne osadzanie innych morfologii ZnO, a nie pręcików, można również osiągnąć poprzez zmianę prekursora, temperatury osadzania lub rozpuszczalników nośnikowych. Na przykład udowodniono, że stosowanie prekursorów, takich jak dietylocynk14 lub octan15 , prowadzi do powstawania innych form morfologicznych zamiast sześciokątnych prętów. Zauważyliśmy również, że zastosowanie różnych temperatur osadzania podczas CVD wspomaganego aerozolem powoduje zmiany w morfologii folii, co pozwala na tworzenie się filmów polikrystalicznych w temperaturach poniżej 400 °C, grubszych struktur heksagonalnych w temperaturach przekraczających 400 °C lub zdegradowanych i mniej gęstych struktur na podłożu po osiągnięciu 600 °C. Podobnie, stosowanie różnych rozpuszczalników wpływa na morfologię folii, a na przykład wykazaliśmy niedawno, że stosowanie metanolu w temperaturze osadzania 400 °C sprzyja tworzeniu struktur o morfologii przypominającej płatki, podczas gdy stosowanie acetonu w tej samej temperaturze sprzyja tworzeniu odwróconych struktur przypominających stożki9.
Rola temperatury i rozpuszczalników nośnikowych została również wcześniej zauważona w przypadku CVD wspomaganego aerozolem innych struktur tlenków metali (np. tlenku wolframu5 i tlenku cyny6) i ogólnie przypisywano: skutkom chemicznym powodowanym przez reaktywne produkty pośrednie, które stają się formami aktywnymi do osadzania lub reagują jednorodnie, tworząc cząstki stałe w temperaturach przetwarzania (jest to bardziej prawdopodobne w przypadku rozpuszczalników takich jak metanol i aceton, które mogą ulegać rozkładowi w niskich temperaturach, np. <500 °C); oraz modulacja szybkości osadzania (strumienia) i parowania kropel (jest to bardziej prawdopodobne w przypadku rozpuszczalników, takich jak etanol, które nie tworzą reaktywnych rodników w temperaturach stosowanych w naszych eksperymentach).
Opisany tutaj protokół jest kompatybilny z najnowocześniejszymi procesami mikrowytwarzania urządzeń elektronicznych na bazie krzemu i ma potencjał do zastosowania w procesach z wykorzystaniem elastycznych materiałów odpornych na wysokie temperatury ze względu na stosunkowo niskie temperatury dla CVD struktur wspomaganych aerozolami. Należy jednak wspomnieć, że stosowanie masek cienia do selektywnego wzrostu struktur, takich jak metody zasiewowe oparte na mechanizmie para-ciecz-ciało stałe16, może mieć ograniczenia w niektórych procesach produkcyjnych. Z drugiej strony, przedstawiona tutaj możliwość hodowli struktur metodą niekatalizowaną może mieć tę zaletę, że w przypadku integracji struktur w układzie scalonym odbywa się mniej etapów litografii i metalizacji. Dodatkowo, względnie niskie temperatury syntezy prętów ZnO mogą również pozwolić na zastosowanie tej metody z miejscowym ogrzewaniem, techniką stosowaną w celu ograniczenia wymaganego środowiska termicznego zarówno dla rozkładu reagentów fazy gazowej, jak i kinetyki wzrostu struktur do obszaru mikroskali, znacznie zmniejszając zużycie energii przez reaktory wysokotemperaturowe (o gorących ścianach)17. Na przykład już wcześniej wykazano, że zastosowanie miejscowego ogrzewania jest możliwe do zastosowania w przypadku niekatalizowanego układu krążenia wspomaganego aerozolem prętów z tlenku wolframu18. Wzrost kolumnowych struktur ZnO o kontrolowanej morfologii, które pozwalają na ich łatwą integrację z różnymi substratami i procesami mikrowytwarzania, jest przedmiotem powszechnego zainteresowania w takich dziedzinach jak wykrywanie chemiczne, fotokataliza, fotonika i pozyskiwanie energii.

ZnO to półprzewodnik II - VI o szerokim bezpośrednim paśmie wzbronionym (3,37 eV), dużej energii wiązania ekscytonów (60 meV), spontanicznej polaryzacji i stałych piezoelektrycznych, które czynią go atrakcyjnym materiałem dla elektroniki, optoelektroniki, generatorów energii, fotokatalizy i detekcji chemicznej. Większość interesujących funkcjonalności ZnO związana jest z jego strukturą krystaliczną wurcytu oraz jego niepolarnymi (np. {100}, {110}) i polarnymi (np. {001}, {111}) powierzchniami związanymi z określonymi strukturalnymi formami morfologicznymi (np. pręty, ostrosłupy, płyty). Kontrola tych form morfologicznych wymaga metod syntetycznych zdolnych do wytworzenia dobrze zdefiniowanych kryształów, o jednolitym rozmiarze, kształcie i strukturze powierzchni1,2,3,4. W tym kontekście, nowe strategie wytwarzania przyrostowego (synteza oddolna), w szczególności oparte na trasach fazy gazowej, są atrakcyjne przemysłowo i potencjalnie korzystne, ponieważ zapewniają możliwość wytwarzania warstw strukturalnych w trybie ciągłym, a nie wsadowym, o wysokiej czystości i wysokiej przepustowości. Drogi te wykazały już wcześniej tworzenie strukturalnych warstw ZnO, ale zwykle przy użyciu nasion katalizatorów, takich jak złoto i/lub wysokich temperatur przetwarzania 900 - 1,300 °C2 {Wang, 2008 #491} (może to być niewygodne dla niektórych procesów produkcyjnych ze względu na potrzebę dodatkowych etapów przetwarzania i/lub niezgodności temperatur do integracji w chipie).
Ostatnio użyliśmy metody fazy gazowej opartej na wspomaganym aerozolem CVD nieorganicznych lub metaloorganicznych prekursorów, aby osiągnąć selektywne osadzanie struktur tlenków metali (np. tlenek wolframu5lub tlenek cyny6), bez potrzeby stosowania katalizatorów i w niższych temperaturach niż te zgłaszane dla tradycyjnego CVD. Metoda ta działa pod ciśnieniem atmosferycznym i może wykorzystywać mniej lotne prekursory w porównaniu z tradycyjnymi chorobami układu krążenia; Rozpuszczalność jest kluczowym wymogiem prekursora, ponieważ roztwór prekursora jest dostarczany do strefy reakcji w postaci aerozolu7. W CVD wspomaganym aerozolem na zarodkowanie i kinetykę wzrostu materiałów strukturalnych i cienkich warstw ma wpływ temperatura syntezy i stężenie reaktywnych gatunków, które z kolei wpływają na morfologiczną formę filmu8. Ostatnio badaliśmy zależność morfologiczną ZnO od różnych warunków CVD wspomaganych aerozolem (w tym prekursorów, temperatur, rozpuszczalników nośników i stężeń prekursorów) i znaleźliśmy drogi tworzenia strukturalnego ZnO z morfologiami przypominającymi pręciki, płatki lub stożki do góry nogami, między innymi9.
Tutaj prezentujemy protokół wspomaganego aerozolem CVD kolumnowych struktur ZnO w postaci prętów złożonych w większości z powierzchni {100}. Protokół ten jest kompatybilny z różnymi podłożami, w tym krzemem, mikroobrabianymi platformami na bazie krzemu, kwarcem lub foliami poliimidowymi odpornymi na wysoką temperaturę. W tym raporcie skupiamy się na powlekaniu gołych płytek krzemowych i mikroobrabianych platform na bazie krzemu wykorzystywanych do produkcji czujników gazów. CVD ZnO wspomagane aerozolem składa się z trzech etapów przetwarzania, które obejmują: przygotowanie substratów i ustawienie temperatury osadzania, przygotowanie roztworu do wytwarzania aerozolu oraz proces CVD. Kroki te zostały szczegółowo opisane poniżej, a na rysunku 1 przedstawiono schematyczny widok przedstawiający główne elementy systemu.

<table><tbody><tr><td>ZnCl2 99,999 % na bazie metali śladowych</td><td>Sigma-Aldrich&nbsp;</td><td>229997</td><td>używany zgodnie z zakupem od producenta</td></tr><tr><td>Etanol &ge; 96%</td><td>Penta</td><td>71430</td><td>używany zgodnie z zakupem od producenta</td></tr><tr><td>Ogniwo reakcyjne&nbsp;</td><td></td><td>Domowa</td><td>cylindryczna cela reakcyjna ze stali nierdzewnej (7000 mm3, średnica: 30 mm, wysokość: 10 mm) ze zintegrowanymi grzałkami do osiągnięcia temperatury osadzania i wyposażona w regulator PID</td></tr><tr><td>Ultradźwiękowy rozpylacz cieczy</td><td>Johnson Matthey</td><td></td><td>Częstotliwość robocza &sim; </td></tr><tr><td>Przepływomierz</td><td></td><td></td> 1,6 MHz <td>Aby lepiej kontrolować ten krok, zaleca się użycie regulatora przepływu masowego.&nbsp;</td></tr><tr><td>Azot</td><td>Linde Gas A.S.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Wafle krzemowe&nbsp; &nbsp;</td><td>Mikrochemikalia</td><td></td><td>< 100>, typ P, 525 i mikro; m grubości, pokrojone na kawałki (10 mm i razy 10 mm )</td></tr><tr><td>Fiolka szklana - 100 ml</td><td></td><td></td><td>Złącze 29/32, długość 200 mm</td></tr><tr><td>Syfon</td><td></td><td></td><td>próżniowy Złącze 29/32, Króćce do węży 5 mm&nbsp;</td></tr><tr><td>Cylinder z podziałką - 10 ml</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Uniwersalny wspornik&nbsp;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Skaningowa</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>mikroskopia elektronowa wagi (SEM)</td><td>Tescan</td><td>Mira II LMU</td><td></td></tr><tr><td>dyfrakcja rentgenowska (XRD)</td><td>Rigaku&nbsp;</td><td>Smart Lab 3kW</td><td>Cu K&alpha; promieniowanie</td></tr><tr><td>rentgenowskie Spektroskopia fotoelektronów (XPS)</td><td>Kratos</td><td>AXIS Supra</td><td>Monochromatyczny&nbsp; K&alpha; promieniowanie, moc emisji 300 W, soczewka magnetyczna i kompensacja ładowania&nbsp;</td></tr><tr><td>Transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM)</td><td>Jeol</td><td>JEM 2100F</td><td>pracująca pod napięciem 200kV z katodą Schottky'ego i wyposażona w EDX&nbsp;</td></tr></tbody></table>

chemiczne osadzanie z fazy gazowej struktur tlenków metali wspomagane aerozolem: pręty z tlenku

Aerosol-assisted Chemical Vapor Deposition of Metal Oxide Structures: Zinc Oxide Rods

Podczas gdy kolumnowe struktury z tlenku (ZnO) w postaci prętów lub drutów były wcześniej syntetyzowane różnymi drogami fazy ciekłej lub gazowej, ich wysokie koszty produkcji i/lub niekompatybilność z technologiami mikrofabrykacji, spowodowane użyciem wstępnie osadzonych nasion katalizatora i/lub wysokimi temperaturami przetwarzania przekraczającymi 900 °C, stanowią wadę dla powszechnego stosowania tych metod. Tutaj jednak przedstawiamy syntezę prętów ZnO za pomocą niekatalizowanego mechanizmu para-ciało stałe, możliwego dzięki zastosowaniu metody chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganej aerozolem (CVD) w temperaturze 400 °C z chlorkiem (ZnCl2) jako prekursorem i etanolem jako rozpuszczalnikiem nośnym. Metoda ta zapewnia zarówno jednoetapowe formowanie prętów ZnO, jak i możliwość ich bezpośredniej integracji z różnymi typami podłoży, w tym krzemem, platformami mikromaszynowymi na bazie krzemu, kwarcem czy polimerami odpornymi na wysokie temperatury. Potencjalnie ułatwia to stosowanie tej metody na dużą skalę, ze względu na jej kompatybilność z najnowocześniejszymi procesami mikrofabrykacji do produkcji urządzeń. W raporcie opisano również właściwości tych struktur (np. morfologię, fazę krystaliczną, pasmo wzbronione w optyce, skład chemiczny, opór elektryczny) i potwierdzono ich funkcjonalność wykrywania gazu w kierunku tlenku węgla.

CVD wspomagane aerozolem z użyciem ZnCl2 rozpuszczonego w etanolu prowadzi do powstania szarych, jednolitych i przylegających warstw na czystych podłożach krzemowych (stosunkowo łatwo usuwalnych mechanicznie). Charakterystyka warstw z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) przy powiększeniu powyżej 8 000X wykazuje quasi-wyrównane pręty ZnO o kształcie sześciokątnym o długościach ∼1 600 i średnicach ∼380 nm (Rysunek 2). Duże błędy w temperaturze zadanej lub obecność gradientów temperatury wzdłuż podłoża podczas procesu CVD mogą spowodować osadzanie innych morfologii ZnO (Rysunek 3) lub powstanie warstw o niejednorodnej strukturze. Ponadto nierównomierne lub nieprzylegające powłoki mogą być częściowo związane ze słabą kontrolą temperatury, nieprawidłowym dostrojeniem przepływu i/lub zastosowaniem innego rozpuszczalnika nośnego niż określony w niniejszym protokole.
Analiza dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) prętów wykazuje wzory dyfrakcyjne charakterystyczne dla heksagonalnej fazy ZnO (grupa przestrzenna P63mc, a = 3.2490 Å, b = 3.2490 Å oraz c = 5.2050 Å; karta ICCD nr 5-0664). Wzory te prezentują wysokointensywny pik dyfrakcyjny przy 34.34° 2θ, odpowiadający płaszczyźnie (002) heksagonalnej fazy ZnO, wraz z siedmioma innymi niskointensywnymi pikami dyfrakcyjnymi przy 31.75, 36.25, 47.54, 56.55, 62.87, 67.92 oraz 72,61° 2θ, odpowiadającymi odpowiednio płaszczyznom (100), (101), (102), (110), (103), (201) i (004) heksagonalnej fazy ZnO. Charakterystyka prętów przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej wysokiej rozdzielczości (TEM) wykazuje wyraźny odstęp między płaszczyznami (0.26 nm), zgodny z wewnętrzną siecią płaszczyzny (002) (d = 0.26025 nm) heksagonalnej fazy ZnO zidentyfikowanej za pomocą XRD. Spektroskopia rentgenowska z detekcją energii (EDX) wykazuje obecność Zn przy stosunkowo niskim zanieczyszczeniu chlorem (stwierdzono dla Cl:Zn 0.05 at.%).
Wyznaczenie przerwy energetycznej optycznej prętów za pomocą pomiarów odbicia dyfuzyjnego filmów wskazuje na przerwę energetyczną optyczną wynoszącą 3.2 eV, co jest zgodne z wartościami literaturowymi dla ZnO10. Analiza filmów z wykorzystaniem spektroskopii fotoelektronów w promieniowaniu rentgenowskim (XPS) charakteryzuje się widmami pików poziomów rdzeniowych Zn 2p1/2 oraz Zn 2p3/2 przy odpowiednio 1,045 i 1,022 eV, co jest zgodne z wynikami zaobserwowanymi wcześniej dla ZnO11,12.
Zastosowanie tego protokołu na krzemowych platformach mikrobobrobionych przeznaczonych do detekcji gazów doprowadziło do bezpośredniej integracji kolumnowych prętów ZnO ograniczonych do obszaru aktywnego sensora (400 x 400 µm2), który jest definiowany przez maskę cieniującą. Rezystancja elektryczna filmów jest rzędu kΩ (∼ 100 kΩ), mierzona w temperaturze pokojowej przy użyciu elektrod grzebieniowych zintegrowanych z krzemowymi platformami mikrobobrobionymi. Rycina 4 przedstawia obraz macierzy czterech mikrobobrobionych czujników gazu opartych na prętach otrzymanych metodą CVD wspomaganą aerozolem. Charakterystyka i proces wytwarzania platform mikrobobrobionych zostały opisane wcześniej13. Mikrosystemy te wykazują czułość na relatywnie niskie stężenia tlenku węgla, przy czym maksymalne odpowiedzi zarejestrowano (przy użyciu komory testowej z ciągłym przepływem gazu13), gdy czujniki pracowały w temperaturze 360 °C z wykorzystaniem zintegrowanych w systemie rezystancyjnych mikrogrzałek (Rycina 5).
<img alt="Rycina 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56127/56127fig1.jpg" /> 
Rycina 1: Schematyczny widok układu CVD wspomaganego aerozolem.
<img alt="Rycina 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56127/56127fig2.jpg" /> 
Rycina 2: Zdjęcia SEM prętów ZnO osadzonych metodą AACVD: widok z góry (A) oraz przekrój poprzeczny (B). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56127/56127fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Rysunek 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56127/56127fig3.jpg" /> 
Rysunek 3: Przekroje poprzeczne obrazów SEM warstw ZnO osadzonych metodą CVD wspomaganego aerozolem w temperaturach 300 (A), 400 (B), 500 (C) i 600 °C (D). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56127/56127fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Rycina 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56127/56127fig4.jpg" /> 
Rycina 4: Krzemowa platforma mikromechaniczna z 4 mikrosensorami zamontowanymi na obudowie TO8 (A), szczegółowy widok mikrosensora (B) oraz pręty ZnO osadzone na krawędzi elektrody (C). <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56127/56127fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Rycina 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56127/56127fig5.jpg" /> 
Rycina 5: Zmiany rezystancji elektrycznej prętów ZnO w zależności od różnych stężeń (25, 20, 10 i 5 ppm) tlenku węgla. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56127/56127fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>

Kolumnowe struktury tlenku w postaci prętów są syntetyzowane przez chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane aerozolem bez użycia wstępnie osadzonych cząstek katalizatora. Metoda ta jest skalowalna i kompatybilna z różnymi podłożami na bazie krzemu, kwarcu lub polimerów.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej struktur tlenków metali wspomagane aerozolem: pręty z tlenku

Whilst columnar zinc oxide (ZnO) structures in the form of rods or wires have been synthesized previously by different liquid- or vapor-phase routes, ...

Ogólnym celem tej procedury jest pokrycie prętów z tlenku na platformach mikromaszyn na bazie krzemu lub krzemu bez użycia wstępnie osadzonych nasion katalizatora, w przeciwieństwie do innych najnowocześniejszych metod, które wykorzystują nasiona katalizatora do stymulowania wzrostu kolumnowych struktur tlenku metalu. Prezentowany tutaj metal pozwala na chemiczne osadzanie z fazy gazowej jednostronnych prętów wspomagane aerozolem za pomocą znanego katalizatora par stałych bez użycia wstępnie osadzonych nasion katalizatora. Wadą tego metalu jest to, że wykorzystuje niższe temperatury przetwarzania niż wcześniej zgłaszane metale do chemicznego osadzania z fazy gazowej, oferując stabilność i kompatybilność z różnymi podłożami, takimi jak krzem, kwarc i polimery.Aby rozpocząć tę procedurę, oczyść podłoże krzemowe o wymiarach 10 na 10 milimetrów w izopropanolu i spłucz wodą dejonizowaną. Podłoże należy wysuszyć suszarką z azotem, aby zapewnić dobrą przyczepność folii i równomierne pokrycie podłoża. Umieść podłoże w domowej roboty cylindrycznej komorze reakcyjnej ze stali nierdzewnej o wewnętrznej objętości około 7000 milimetrów sześciennych, dostosowanej do wymiarów mikroobrabianych platform na bazie krzemu stosowanych do produkcji czujników gazu.Umieść mikroobrabiane platformy na bazie krzemu w komorze reakcyjnej i wyrównaj z maską cienia, aby ograniczyć wzrost materiału do obszaru zainteresowania. Zamknij komorę reakcyjną, upewniając się, że pokrywa jest prawidłowo uszczelniona, aby uniknąć wycieku reaktywnych substancji. Następnie włącz system kontroli temperatury składający się z rezystancyjnych grzałek zintegrowanych z komórką reakcyjną, termopary do wykrywania temperatury podłoża oraz proporcjonalnego regulatora pochodnej całkowej.Ustaw temperaturę na 400 stopni Celsjusza i pozwól jej ustabilizować się przez około 30 minut. Dodaj 50 miligramów chlorku. I 5 mililitrów etanolu na szklaną fiolkę o pojemności 100 mililitrów.Gdy roztwór jest jednorodny, przymocuj fiolkę do syfonu próżniowego za pomocą szklanego klipsa i upewnij się, że koniec rury spustowej znajduje się 60 milimetrów nad dnem fiolki i nie jest zanurzony w roztworze. Teraz zacisnąć fiolkę na uniwersalnym nośniku. Dostosuj wysokość podpory, aby stykała się z dnem fiolki i optymalnym punktem ogniskowym rozpylacza ultradźwiękowego, który działa z częstotliwością 1,6 megaherca i dostarcza średnią wielkość kropelki aerozolu wynoszącą około trzech mikrometrów.Następnie podłącz wlot i wylot syfonu próżniowego odpowiednio do rury azotowej w komorze reakcyjnej. Przed rozpoczęciem procesu chemicznego osadzania z fazy gazowej sprawdź, czy temperatura w komorze reakcyjnej osiągnęła stan ustalony. Za pomocą regulatora przepływu masowego dostosuj przepływ azotu do 200 centymetrów sześciennych na minutę i pozwól mu przepływać przez system.Włącz generator aerozolu i utrzymuj aerozol na stałym poziomie podczas procesu, aż roztwór zawierający prekursor zostanie całkowicie dostarczony do komórki reakcyjnej. Gdy tylko roztwór zostanie w pełni dostarczony do komory reakcyjnej, wyłącz generator aerozolu w układzie kontroli temperatury, aby schłodzić komorę reakcyjną. Gdy temperatura spadnie do temperatury pokojowej, zatrzymaj przepływ azotu i otwórz komórkę reakcyjną, a następnie usuń próbkę, która ma szarawy matowy kolor na powierzchni związany z obecnością kolumnowych struktur tlenku.Chemiczne osadzanie chlorku wspomagane aerozolem prowadzi do powstania szarawej jednolitości w przylegających warstwach na gołych płytkach krzemowych. Obrazy ze skaningowej mikroskopii elektronowej pokazują quasi-wyrównane sześciokątne pręty z tlenku o długości i średnicy odpowiednio około 1 600 nanometrów i 380 nanometrów. Duże błędy temperatury zadanej lub występowanie gradientów temperatury wzdłuż podłoża podczas chemicznego osadzania z fazy gazowej może powodować osadzanie się innych morfologii lub warstw tlenku o niejednorodnej strukturze.Analiza dyfrakcji rentgenowskiej prętów pokazuje wzory dyfrakcyjne związane z heksagonalną fazą tlenku. Charakterystyka prętów za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości pokazuje wyraźne odstępy między strugarkami zgodne z wewnętrzną siecią płaszczyzny 002 heksagonalnej fazy tlenku zidentyfikowanej przez XRD. Spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii wykazuje obecność o stosunkowo niskim zanieczyszczeniu chlorem.Przedstawiono tutaj zestaw czterech mikromaszynowych czujników gazu opartych na prętach do chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganych aerozolem. Mikrosystemy te są wrażliwe na stosunkowo niskie stężenia tlenku węgla, a maksymalne reakcje są rejestrowane, gdy czujniki pracowały w temperaturze 360 stopni Celsjusza za pomocą rezystancyjnych mikrogrzejników zintegrowanych z systemem. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak hodować jednostronne pręty na różnych powierzchniach bez użycia wstępnie osadzonych nasion katalizatora.Po opanowaniu tej techniki można ją skalować do większych powierzchni, jeśli system i parametry zostaną odpowiednio przeskalowane. Zgodnie z tą procedurą, wybrane osadzanie morfologii jednostronnych innych niż te, może być również osiągnięte poprzez zmianę temperatury osadzania, prekursorów i rozpuszczalnika nośnika. Procedura ta jest zgodna z najnowocześniejszym procesem mikrowytwarzania urządzeń elektronicznych na bazie krzemu i może zostać włączona do procesu obejmującego elastyczne materiały odporne na wysoką temperaturę ze względu na stosunkowo niskie temperatury chemicznego osadzania par struktur w aerozolu.

aerosol-assisted-chemical-vapor-deposition-metal-oxide-structures

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Opisujemy eksperymentalną metodę osadzania cienkich warstw nanostrukturalnych tlenków za pomocą nanosekundowego pulsacyjnego osadzania laserowego (PLD) w obecności gazu tła. Dzięki tej metodzie można osadzać warstwy ZnO domieszkowane Alem (AZO), od zwartych po hierarchicznie ustrukturyzowane jak lasy nanodrzew.

Wytwarzanie nanoinżynieryjnych przezroczystych przewodzących tlenków za pomocą pulsacyjnego osadzania laserowego

Opisujemy zastosowanie pulsacyjnego osadzania laserowego (PLD), fotolitografii i technik łączenia drutów do tworzenia złożonych urządzeń tlenkowych w skali mikrometrycznej. PLD jest wykorzystywany do hodowli cienkich warstw epitaksjalnych. Wprowadza się techniki fotolitografii i łączenia drutowego w celu stworzenia praktycznych urządzeń do celów pomiarowych.

Wytwarzanie przestrzennie ograniczonych złożonych tlenków

Przedstawiono procedury przygotowania segmentowanych i współosiowych nanoprzewodów za pomocą elektroosadzania szablonowego w nanoporach. Jako przykłady wykonano segmentowane nanodruty składające się z segmentów Ag i ZnO oraz współosiowe nanodruty składające się z powłoki TiO2 i rdzenia Ag. Nanodruty wykorzystano w eksperymentach z fotokatalitycznym tworzeniem wodoru.

Przygotowanie i stosowanie fotokatalitycznie aktywnego segmentowego Ag|ZnO i koncentryczne nanodruty TiO2-Ag wykonane metodą elektroosadzania szablonowego

Zaoferowaliśmy metodę bezpośredniej syntezy cienkiej warstwy ZnO o wysokiej osi c (0002) poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą. Zsyntetyzowana cienka warstwa ZnO w połączeniu z elektrodą palcową Pt została wykorzystana jako warstwa detekcyjna dla fotodetektora ultrafioletowego, wykazując wysoką wydajność dzięki połączeniu dobrej czułości i niezawodności.

Synteza i charakterystyka cienkiej warstwy ZnO o wysokiej osi c za pomocą plazmowego systemu chemicznego osadzania z fazy gazowej i jego zastosowania w fotodetektorze UV

Przedstawiono jednoetapową metodę wytwarzania w celu uzyskania samodzielnej podwójnej heterostruktury epitaksjalnej. Podejście to może doprowadzić do osiągnięcia pokrycia ZnO o większej gęstości liczbowej niż w przypadku pojedynczej heterostruktury epitaksjalnej, co doprowadzi do powstania nanogeneratora piezoelektrycznego o zwiększonej wyjściowej wydajności elektrycznej.

Przygotowanie podwójnej heterostruktury epitaksjalnej nanopręta ZnO/grafenu/nanopręta ZnO dla nanogeneratora piezoelektrycznego za pomocą podgrzewania hydrotermalnego

Tutaj prezentujemy protokół syntezy heterozłączy Zn1-xMgxO/Cu2O na wolnym powietrzu w niskiej temperaturze za pomocą przestrzennego osadzania warstwy atomowej pod ciśnieniem atmosferycznym (AP-SALD) Zn1-xMgxO na tlenku miedzi. Tak wysokiej jakości tlenki metali konforemnych mogą być hodowane na różnych podłożach, w tym na tworzywach sztucznych, za pomocą tej taniej i skalowalnej metody.

Poprawa jakości heterozłączy w ogniwach słonecznych na bazie Cu2O poprzez optymalizację ciśnienia atmosferycznego Przestrzenna warstwa atomowa osadzona Zn1-xMgxO

Tutaj przygotowujemy i charakteryzujemy nowe, drzewiaste, hierarchiczne nanostruktury ZnO/CdSSe, gdzie gałęzie CdSSe rosną na pionowo ustawionych nanodrutach ZnO. Powstałe w ten sposób nanodrzewa są potencjalnym materiałem do konwersji energii słonecznej i innych urządzeń optoelektronicznych.

Synteza hierarchicznych nanodrzew heterostrukturalnych ZnO/CdSSe

Ten manuskrypt opisuje, jak zaprojektować i wyprodukować wydajne odwrócone ogniwa słoneczne SMPV1:PC71BM z nanoprętami ZnO (NR) hodowanymi na wysokiej jakości warstwie nasiennej ZnO domieszkowanej Alem (AZO). Dobrze ustawione, zorientowane pionowo NR ZnO wykazują wysokie właściwości krystaliczne. Sprawność konwersji energii ogniw słonecznych może osiągnąć 6,01%.

Dobrze wyrównane pionowo zorientowane układy nanoprętów ZnO i ich zastosowanie w odwróconych małocząsteczkowych ogniwach słonecznych

Osiągnięcie wysokiej jakości styków Schottky'ego jest niezbędne do osiągnięcia efektywnej modulacji bramki w tranzystorach polowych o heterostrukturze (HFET). Przedstawiono metodologię wytwarzania i charakterystykę diod Schottky'ego na zn-polarnych heterostrukturach BeMgZnO/ZnO z dwuwymiarowym gazem elektronowym o dużej gęstości (2DEG), hodowanymi metodą epitaksji wiązki molekularnej wspomaganej plazmą na matrycach GaN.

Wytwarzanie diod Schottky'ego na zn-polarnej heterostrukturze BeMgZnO/ZnO wyhodowanej metodą epitaksji molekularnej wspomaganej plazmą

Przedstawiono technikę syntezy umożliwiającą przygotowanie ZnCoS/ZnCdS reagującego na światło widzialne z fotokatalizatorem o podwójnej strukturze krystalicznej oraz technikę testowania reakcji fotoredoksowej jego aktywności fotokatalitycznej i selektywności w ewolucji H2 oraz produkcji benzaldehydu.

Synteza i oceny wydajności ZnCoS/ZnCdS z podwójną strukturą krystaliczną dla wielofunkcyjnej fotokatalizy redoks w zastosowaniach energetycznych

Poznaj metodę osadzania prętów z tlenku cynku na podłożach krzemowych bez użycia katalizatorów. Technika AACVD umożliwia skalowalną produkcję struktur nanorozmiarowych.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej struktur tlenków metali wspomagane aerozolem: pręty z tlenku

Przeglądaj więcej filmów