Name: Wytwarzanie i optymalizacja filmów typu II z użyciem klatryn krzemowych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-10-14T13:50:00.000+00:00
Duration: 6 min 53 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania filmów klatryn krzemowych typu II z użyciem dwustopniowego wygrzewania termicznego. Protokół ten jest prosty, ekonomiczny i nie wymaga stosowania rękawiczkowej komory ochronnej.

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 te były wspierane przez Francuską Narodową Agencję Badawczą (ANR) w ramach Exosil-Exotic Silicon Clathrate Films (ANR-22-CE50-0025). Autorzy dziękują platformie XRD IPCMS oraz pracownikom platformy C3Fab firmy ICube.

Odczynniki i sprzęt użyty w tym badaniu są wymienione w Tabeli Materiałów.
1. Przygotowanie materiałów
<ol>
	<li>Przygotowanie krzemu (c-Si (001))<ol>
		<li>Precyzyjnie rozciąć diamentowym piórem płytkę krzemową o grubości 525 μm ± 25 μm, polerowaną, z domieszką n (001) w prostokąt o wymiarach 56 × 38 mm2.</li>
		<li>Zanurz podłoże krzemowe w roztworze kwasu fluorowodorowego o stężeniu 10% objętości, używając butelki z 48% HF, dokładnie na 2 minuty, aby usunąć natywny dwutlenek krzemu, który może znajdować się na powierzchni podłoża. UWAGA: Wszystkie ciecze zawierające HF oraz wszelkie skażone płukane/rozpuszczalniki zostały zebrane w dedykowanych, kompatybilnych pojemnikach HDPE (polietylen o wysokiej gęstości) oznaczonych jednostką produkcyjną i składem mieszaniny, przechowywane na tacach retencyjnych w wyznaczonym obszarze odpadów i oddzielone od innych kwasów, z izolacją HF dla bezpieczeństwa. Ostateczna utylizacja została zorganizowana przez SPSE-UNISTRA/Suez zgodnie z zasadami utylizacji Uniwersytetu w Strasburgu, które podlegają francuskiemu kodeksowi środowiskowemu i przepisom dotyczącym transportu towarów niebezpiecznych. UWAGA: Fluorek wodoru (HF) jest wysoce toksyczny i. Dotykaj się tylko pod kapturem oparowym, w rękawiczkach, masece pełnej twarzy i odpowiedniej odzieży ochronnej.</li>
		<li>Po ekspozycji na HF dokładnie opłucz podłoże wodą dejonizowaną, aby usunąć ewentualny kwas. Susz płytki za pomocą pistoletu azotowego, aby usunąć wszelkie pozostałości wody i zapobiec powstawaniu osadów na powierzchni.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wstępne przygotowanie sodu<ol>
		<li>Ostrożnie odetnij kawałek metalicznego sodu (99% czystości) za pomocą nożaczki, aby uzyskać mały prostokątny kawałek ważący około 0,22 g, mierzony wagą analityczną.</li>
		<li>Natychmiast umieść plasterek sodu w szczelnym szklanym pojemniku (zamkniętym z mielonym szkłem i połączeniem) wypełnionym bezwodnym cykloheksanem (czystość ≥99%). Upewnij się, że sód jest całkowicie zanurzony, aby zapobiec utlenianiu. UWAGA: Metaliczny sód reaguje gwałtownie z wodą. Zawsze obchodz się pod kapturem spalinowym, w rękawiczkach, goglach ochronnych, odpowiednim fartuchu laboratoryjnym oraz podejmuj wszelkie inne środki ostrożności niezbędne do zapewnienia bezpieczeństwa (gaśnica klasy D).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zgromadzenie w tyglu<ol>
		<li>Myj czystym etanolem i susz w 300 °C przez 4 godziny w łodzi z stopu Inconel (54 × 18 × 13,3 mm3). Następnie umieść wcześniej przygotowany plasterek sodu w wyczyszczonej łodzi ze stopu Inconel i umieść płytkę krzemową bezpośrednio nad nią, z wypolerowaną powierzchnią skierowaną w dół łodzi.</li>
		<li>Ostrożnie włóż przygotowany zespół (Boat-Sod-Silicon) do środka szczelnej rury ze stali nierdzewnej (ISO-KF z uszczelką O-ring) w programowalnym poziomym piecu rurowym. UWAGA: Rurka musi być dokładnie wyczyszczona acetonem i etanolem, a następnie suszona przez 1,5 godziny.</li>
		<li>Włóż do rury drut tantalowy o wysokiej czystości (Ta), aby zatrzymać wszelkie ślady tlenu. Użyty drut ma średnicę 0,5 mm, czystość 99,95% i całkowitą długość 3,4 cm.</li>
		<li>Uszczelnij rurkę na obu końcach za pomocą złączek, które pozwalają na krążenie tylko argonu (czystość ≥ 99,9999%).</li>
		<li>Płucz rurkę argonem przy stałym ciśnieniu 1,6 bara przez 15 minut, aby zapewnić obojętną atmosferę przez całą reakcję.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Synteza SiCL
<ol>
	<li>Rozkład termiczny dla powstawania Na4Si4
	<ol>
		<li>Rozpocznij programowalny piec rurowy poziomy od następującego cyklu wyżarzania.<ol>
			<li>Podnieś temperaturę do osiągnięcia płaskowyżu 600 °C z tempem narastania 5 °C/min. Utrzymuj tę stabilną temperaturę na poziomie 600 °C przez 19 godzin. Pozwól systemowi naturalnie się ochłodzić przez ponad 7 godzin.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Gdy piec i rura osiągną temperaturę pokojową, przepłucz rurkę ciągłym przepływem argonu (czystość ≥ 99,9999%).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dynamiczne podciśnienie po zabiegu<ol>
		<li>Przenieś jak najszybciej pobrane próbki do rurki kwarcowej i podłącz je do dynamicznego pieca próżniowego. Rurka była wstępnie oczyszczana przez sekwencyjne płukanie acetonem i wodą dejonizowaną, a następnie suszenie za pomocą pistoletu azotowego. Czas ekspozycji na powietrze otoczenia utrzymywano poniżej 40 s w środowisku laboratoryjnym, przy wilgotności względnej poniżej 40%, co okazało się produkować powtarzalne i nieskażone filmy.<ol>
			<li>Po podłączeniu rury do systemu pompującego najpierw ewakuuj się pompą pierwotną, a następnie włącz pompę turbomolekularną aż do osiągnięcia wysokiego podciśnienia 5 × 10-7 mbar.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Zjazd do 400 °C w ciągu 30 minut; utrzymać temperaturę 400 °C przez 4 godziny; Następnie wyłącz piec rurowy i pozwól próbce naturalnie ostygnąć do temperatury pokojowej. Następnie rozładowuj próbkę z pieca.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Po leczeniu
<ol>
	<li>Wyżarzanie prasowe<ol>
		<li>Do procesu wyżarzania prasowego prasy hydraulicznej na stole wyposażonej w dwie kwadratowe płyty ze stali nierdzewnej (15 × 15 cm2) oraz zintegrowany system grzewczy zdolny do osiągania temperatur do 300 °C.</li>
		<li>Mocuj górną płytę i wywieraj siłę, podnosząc dolną płytę. Uruchamiaj proces imprintingu w otoczeniu.</li>
		<li>Umieść próbkę klatratu krzemu pomiędzy dwoma płytkami wewnątrz prasy termicznej.</li>
		<li>Podnieś dolną płytę, aby stopniowo zwiększać siłę, aż ciśnienie osiągnie wartość około 2 kN.</li>
		<li>Gdy siła osiągnie 2 kN, podnieś temperaturę dwóch metalowych płytek stykających się z próbką do 250 °C i utrzymuj ją przez 30 minut.</li>
		<li>Podczas tłoczenia termicznego pozwól, by siła stopniowo rosła od początkowych 2 kN do około 8,5 kN pod koniec procesu.</li>
		<li>Po 30 minutach przestań podgrzewać. Należy stosować szybkie chłodzenie za pomocą systemu cyrkulacji zimnej wody (20 °C/min), aż temperatura wróci do poziomu otoczenia. Zwolnij ciśnienie. UWAGA: Na końcu procesu grubość, określona na podstawie obrazów SEM o przekroju poprzecznym, zmniejsza się z 82 μm do 31 μm. Wielkość ziaren prasowanego materiału sięga około 200 nm, co jest czterokrotnie wyższe niż w przypadku materiału w formie syntetyzy.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Suche trawienie<ol>
		<li>Czyść próbkę sekwencyjnie za pomocą acetonu i izopropanolu (IPA), a następnie suszyć ją pistoletem azotowym, który zdmuchuje resztki rozpuszczalnika i zapobiega powstawaniu osadów.</li>
		<li>Umieść oczyszczoną próbkę na dolnej elektrodzie wewnątrz systemu trawienia RIE.</li>
		<li>Pompuj komorę, aby osiągnąć ciśnienie bazowe 5 × 10-7 mbar.</li>
		<li>Wprowadzić gaz trawiący (SF6) do komory z przepływem 50 sccm. UWAGA: Wszystkie wyloty SF6 z procesów trawienia muszą przejść przez system redukcji. Bezpośrednie wypuszczanie powietrza do atmosfery jest zabronione. Oczyszczacz musi zostać aktywowany przed rozpoczęciem przepływu gazu i kontynuowany do zakończenia oczyszczania.</li>
		<li>Ustaw temperaturę podłoża na 5 °C, korzystając z zintegrowanego systemu chłodzenia.</li>
		<li>Zapalenie plazmy poprzez zastosowanie mocy 800 W ICP w celu wygenerowania plazmy o wysokiej gęstości, a jednocześnie przyłożenie mocy RF 400 W (13,56 MHz) do dolnej elektrody, aby kontrolować energię bombardowania jonowego.</li>
		<li>Wykonaj testy trawień o czasie trwania 15 sekund. W tych warunkach szybkość trawienia wynosiła 1 μm·min-1 na próbce prasowanej.</li>
		<li>Po trawieniu wyłącz zarówno zasilacze ICP, jak i RF, aby zatrzymać plazmę.</li>
		<li>Usuń pozostałe gazy procesowe, a następnie powoli odwietrzyj komorę do ciśnienia atmosferycznego.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyjmij trawioną próbkę z komory.</li>
</ol>

<ol><li>Akinwande, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Graphene+and+two-dimensional+materials+for+silicon+technology%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Graphene and two-dimensional materials for silicon technology.</a> Nature. 573 (7775), 507-518 (2019).</li>
<li>Luo, W., Ma, Y., Gong, X., Xiang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Prediction+of+silicon-based+layered+structures+for+optoelectronic+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J+Am+Chem+Soc%22%5BJournal%5D)">Prediction of silicon-based layered structures for optoelectronic applications.</a> J Am Chem Soc. 136 (45), 15992-15997 (2014).</li>
<li>Huang, H., Du, W., Deng, H., Xiang, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aging-resistant%2C+high-strength%2C+reprocessable%2C+and+recyclable+silicones+through+dynamic+thiol-maleimide+chemistry%5BTitle%5D)+AND+%22Ind+Eng+Chem+Res%22%5BJournal%5D)">Aging-resistant, high-strength, reprocessable, and recyclable silicones through dynamic thiol-maleimide chemistry.</a> Ind Eng Chem Res. 63 (35), 15373-15382 (2024).</li>
<li>Liu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Advancements+in+low-density+crystalline+silicon+allotropes%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Phys+Lett%22%5BJournal%5D)">Advancements in low-density crystalline silicon allotropes.</a> Appl Phys Lett. 126 (9), 090501(2025).</li>
<li>Matsunami, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fundamental+research+on+semiconductor+SiC+and+its+applications+to+power+electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Jpn+Acad+Ser+B+Phys+Biol+Sci%22%5BJournal%5D)">Fundamental research on semiconductor SiC and its applications to power electronics.</a> Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci. 96 (7), 235-254 (2020).</li>
<li>Oh, Y. J., Lee, I. H., Kim, S., Lee, J., Chang, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dipole-allowed+direct+band+gap+silicon+superlattices%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Dipole-allowed direct band gap silicon superlattices.</a> Sci Rep. 5, 18086(2015).</li>
<li>Battaglia, C., Cuevas, A., Wolf, S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-efficiency+crystalline+silicon+solar+cells%3A+status+and+perspectives%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ+Sci%22%5BJournal%5D)">High-efficiency crystalline silicon solar cells: status and perspectives.</a> Energy Environ Sci. 9 (5), 1552-1576 (2016).</li>
<li>Bi, Y., Xu, E., Strobel, T. A., Li, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+inclusion+type+silicon+phases+induced+by+inert+gases%5BTitle%5D)+AND+%22Commun+Chem%22%5BJournal%5D)">Formation of inclusion type silicon phases induced by inert gases.</a> Commun Chem. 1 (1), 15(2018).</li>
<li>Beekman, M., Wei, K., Nolas, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Clathrates+and+beyond%3A+low-density+allotropy+in+crystalline+silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Phys+Rev%22%5BJournal%5D)">Clathrates and beyond: low-density allotropy in crystalline silicon.</a> Appl Phys Rev. 3 (4), 040804(2016).</li>
<li>Vollondat, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+characterization+of+silicon+clathrates+of+type+I+Na8Si46+and+type+II+NaxSi136+by+thermal+decomposition%5BTitle%5D)+AND+%22J+Alloys+Compd%22%5BJournal%5D)">Synthesis and characterization of silicon clathrates of type I Na8Si46 and type II NaxSi136 by thermal decomposition.</a> J Alloys Compd. 903, 163967(2022).</li>
<li>Smelyansky, V. I., Tse, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+electronic+structure+of+metallo-silicon+clathrates+NaxSi136%C2%A0%28+%3D+0%2C+4%2C+8%2C+16+and+24%29%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Phys+Lett%22%5BJournal%5D)">The electronic structure of metallo-silicon clathrates NaxSi136 ( = 0, 4, 8, 16 and 24).</a> Chem Phys Lett. 264 (5), 459-465 (1997).</li>
<li>Yamanaka, S., Komatsu, M., Tanaka, M., Sawa, H., Inumaru, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-pressure+synthesis+and+structural+characterization+of+the+type+II+clathrate+compound+Na30.5Si136+encapsulating+two+sodium+atoms+in+the+same+silicon+polyhedral+cages%5BTitle%5D)+AND+%22J+Am+Chem+Soc%22%5BJournal%5D)">High-pressure synthesis and structural characterization of the type II clathrate compound Na30.5Si136 encapsulating two sodium atoms in the same silicon polyhedral cages.</a> J Am Chem Soc. 136 (21), 7717-7725 (2014).</li>
<li>Kanatzidis, M. G., Pöttgen, R., Jeitschko, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+metal+flux%3A+A+preparative+tool+for+the+exploration+of+intermetallic+compounds%5BTitle%5D)+AND+%22Angew+Chem+Int+Ed+Engl%22%5BJournal%5D)">The metal flux: A preparative tool for the exploration of intermetallic compounds.</a> Angew Chem Int Ed Engl. 44 (43), 6996-7023 (2005).</li>
<li>Liang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+the+clathrate-I+phase+Ba8%E2%88%92xSi46+redox+reactions%5BTitle%5D)+AND+%22Inorg+Chem%22%5BJournal%5D)">Synthesis of the clathrate-I phase Ba8−xSi46 redox reactions.</a> Inorg Chem. 50 (10), 4523-4528 (2011).</li>
<li>Stefanoski, S., Beekman, M., WongNg, W., Zavalij, P., Nolas, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simple+approach+for+selective+crystal+growth+of+intermetallic+clathrates%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Mater%22%5BJournal%5D)">Simple approach for selective crystal growth of intermetallic clathrates.</a> Chem Mater. 23 (6), 1491-1495 (2011).</li>
<li>Stefanoski, S., Martin, J., Nolas, G. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low+temperature+transport+properties+and+heat+capacity+of+single-crystal+Na8Si46%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Condens+Matter%22%5BJournal%5D)">Low temperature transport properties and heat capacity of single-crystal Na8Si46.</a> J Phys Condens Matter. 22 (48), 485404(2010).</li>
<li>Beekman, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intrinsic+electrical+and+thermal+properties+from+single+crystals+of+Na24Si136%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+Lett%22%5BJournal%5D)">Intrinsic electrical and thermal properties from single crystals of Na24Si136.</a> Phys Rev Lett. 104 (1), 018301(2010).</li>
<li>Fix, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silicon+clathrate+films+for+photovoltaic+applications%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Chem+C%22%5BJournal%5D)">Silicon clathrate films for photovoltaic applications.</a> J Phys Chem C. 124 (28), 14972-14977 (2020).</li>
<li>Bharwal, A. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhancing+morphological+and+optoelectronic+properties+of+silicon+clathrate+films+through+thermal+press+annealing+and+SF6+treatment%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl+Energy+Mater%22%5BJournal%5D)">Enhancing morphological and optoelectronic properties of silicon clathrate films through thermal press annealing and SF6 treatment.</a> ACS Appl Energy Mater. 8 (3), 1752-1758 (2025).</li>
<li>Kumar, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+characterization+of+type+II+Ge-Si+clathrate+films+for+optoelectronic+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Mater%22%5BJournal%5D)">Synthesis and characterization of type II Ge-Si clathrate films for optoelectronic applications.</a> Mater. 17 (2), 504(2024).</li>
<li>Liu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+characterization+of+type+II+silicon+clathrate+films+with+low+Na+concentration%5BTitle%5D)+AND+%22Appl+Phys+Rev%22%5BJournal%5D)">Synthesis and characterization of type II silicon clathrate films with low Na concentration.</a> Appl Phys Rev. 8 (4), 041408(2021).</li>
<li>Martinez, A. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+Group+IV+clathrates+for+photovoltaics%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+J+Photovoltaics%22%5BJournal%5D)">Synthesis of Group IV clathrates for photovoltaics.</a> IEEE J Photovoltaics. 3 (4), 1305-1310 (2013).</li>
<li>Beekman, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Framework+contraction+in+Na-stuffed+Si%28cF136%29%5BTitle%5D)+AND+%22Inorg+Chem%22%5BJournal%5D)">Framework contraction in Na-stuffed Si(cF136).</a> Inorg Chem. 49 (12), 5338-5340 (2010).</li>
<li>Bharwal, A. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+sodium+concentration+on+the+optoelectronic+properties+of+silicon+clathrate+films%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl+Energy+Mater%22%5BJournal%5D)">Influence of sodium concentration on the optoelectronic properties of silicon clathrate films.</a> ACS Appl Energy Mater. 7 (19), 8554-8561 (2024).</li>
<li>Kume, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((NaSi+and+Si+clathrate+prepared+on+Si+substrate%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Status+Solidi+C%22%5BJournal%5D)">NaSi and Si clathrate prepared on Si substrate.</a> Phys Status Solidi C. 10 (12), 1739-1741 (2013).</li>
<li>Kume, T., Ohashi, F., Nonomura, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Group+IV+clathrates+for+photovoltaic+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Jpn+J+Appl+Phys%22%5BJournal%5D)">Group IV clathrates for photovoltaic applications.</a> Jpn J Appl Phys. 56 (5S1), 05DA05(2017).</li>
<li>Ma, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+versatile+low+temperature+synthetic+route+to+Zintl+phase+precursors%3A+Na4Si4%2C+Na4Ge4%C2%A0and+K4Ge4%C2%A0as+examples%5BTitle%5D)+AND+%22Dalton+Trans%22%5BJournal%5D)">A versatile low temperature synthetic route to Zintl phase precursors: Na4Si4, Na4Ge4 and K4Ge4 as examples.</a> Dalton Trans. 46, 10250-10255 (2009).</li>
<li>Vollondat, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunability+of+silicon+clathrate+film+properties+by+controlled+guest-occupation+of+their+cages%5BTitle%5D)+AND+%22J+Chem+Phys%22%5BJournal%5D)">Tunability of silicon clathrate film properties by controlled guest-occupation of their cages.</a> J Chem Phys. 158 (16), 164709(2023).</li>
<li>Kishimoto, K., Koda, S., Akai, K., Koyanagi, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermoelectric+properties+of+sintered+type-II+clathrates+%28K%2C+Ba%2924%28Ga%2C+Sn%29136+with+various+carrier+concentrations%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Phys%22%5BJournal%5D)">Thermoelectric properties of sintered type-II clathrates (K, Ba)24(Ga, Sn)136 with various carrier concentrations.</a> J Appl Phys. 118 (12), 125103(2015).</li>
<li>Liu, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+type+II+silicon+clathrate+with+lithium+guests+through+thermal+diffusion%5BTitle%5D)+AND+%22Inorg+Chem%22%5BJournal%5D)">Formation of type II silicon clathrate with lithium guests through thermal diffusion.</a> Inorg Chem. 62 (18), 6882-6892 (2023).</li>
</ol>

Autorzy potwierdzają, że nie mają żadnych finansowych konfliktów interesów.

Synteza warstw klatrynowych krzemu typu II (NaxSi136) za pomocą dwuetapowej metody rozkładu termicznego obejmuje dwa kluczowe etapy decydujące o sukcesie i jakości materiału końcowego. Początkowe powstanie prekursora Na4Si4 Zintl jest kluczowe (Rysunek 1), ponieważ pełni rolę reaktywnej fazypośredniej 27. Ten etap wymaga wystawienia płytki krzemowej na działanie pary sodowej w atmosferze obojętnej argonu. Zapewnieni...

Od lat 50. XX wieku materiały na bazie krzemu stanowią serce nowoczesnych technologii optoelektronicznych i energetycznych1, szczególnie w przemyśle fotowoltaicznym i półprzewodnikowym2. Krzem spełnia kryteria obfitości, stabilności termicznej, odporności na starzeniesię 3 oraz nietoksyczności 4,5. Jednak pomimo sukcesu komercyjnego, krzem diamentowy (d-Si) cierpi na wewnętrzne ograniczenia, takie jak pośrednia przerwa energetyczna i słaba absorpcja światła6, co wymaga grubych warstw aktywnych i energochłonnego przetwarzania, aby osiągnąć niezwykle wysoką czystość pierwiastków7. W ostatnich latach alternatywne alotropy i egzotyczne fazy krzemu, szczególnie fazy klatratu8, zyskują coraz większą uwagę jako obiecujące kandydatki do przezwyciężenia tych ograniczeń9. Aplikacje są obiecujące, dzięki swojej otwartej strukturze frameworkowej i regulowanym właściwościom elektronicznym10. Wśród nich SiCL typu II (NaxSi136) wyłonił się jako materiał metastabilny, lecz odporny z quasi-bezpośrednią przerwą energetyczną w zakresie 1,6-2 eV 9,11.
Synteza SiCL opiera się na metodach wysokiego ciśnienia12, takich jak przyrost przepływu13 lub chemia redoks w cieczach jonowych14, które często są złożone i nie zawsze kompatybilne z przetwarzaniem skalowym i cienkowarstwowym. Niemniej jednak te tradycyjne podejścia były niezbędne do badania właściwości wewnętrznych klatratów poprzez tłumienie efektów zewnętrznych, takich jak utlenianie lub faza wtórna 15,16,17. Dla porównania, ten dwustopniowy protokół rozkładu termicznego bez pudełka na rękawiczki umożliwia syntezę cienkich warstw klatranu krzemu z udziałem reaktywnego Na4Si4, związku pośredniego, przy użyciu umiarkowanych temperatur i warunków próżniowych. Protokół ten umożliwia precyzyjną kontrolę zawartości sodu przez cały czas trwania obróbki termicznej, zmieniając tym samym zachowanie NaxSi136 z metalu na półprzewodnik w zależności od zajęcia sodu w klatkach krzemowych. W tym procesie najpierw powstaje warstwa prekursorowa Na4Si4 w wyniku reakcji termicznej sodu z krystalicznym krzemem pod atmosferą obojętną (Rysunek 1). Późniejsze wyżarzanie termiczne w dynamicznej próżni sprzyja wydobyciu sodu z warstwy, umożliwiając przekształcenie fazy Zintl w pożądaną strukturę klatratu, przy minimalnym zanieczyszczeniu18,10 (Rysunek 2).
Chociaż wykazano strukturalne powstawanie klatratów tą metodą, dalsze poznanie ich strojalności i zachowania półprzewodnikowego uzyskuje się po dwóch kolejnych zabiegach postsyntetycznych: prasowaniu termicznym i trawieniu jonów reaktywnych. Tłoczenie termiczne wykonuje się w celu zmniejszenia grubości filmu klatranowego o około połowy, co skutkuje gęstą, gładką warstwą lepiej nadającą się do dalszej obróbki. Wykazano, że trawienie dodatkowo poprawia jednorodność stanu powierzchniowego przy zachowaniu ramy klatki, czyniąc je potężnym narzędziem do strojenia właściwości elektrycznych i optycznych19.
Chociaż liczbę laboratoriów, które pomyślnie zgłosiły produkcję filmu SiCL20, 21, 22, można policzyć na palcach jednej ręki, uważamy, że wynika to z faktu, iż parametry obróbki muszą być starannie dostrojone, aby skutecznie uzyskać pożądaną fazę. Przy obecnym protokole, przy zapewnieniu bezpieczeństwa przy użyciu odpowiednich środków, produkcja folii SiCL wymaga tylko jednego pieca rurowego z argonu i jednego dynamicznego pieca próżniowego, czystego sodu, oraz płytki c-Si10. To podejście pokazuje wykonalność wytwarzania i inżynierii folii SiCL poprzez prosty i skalowalny proces syntezy, przy minimalnych zasobach i sprzętu, torując drogę do przyszłej integracji urządzeń.

<table><tbody><tr><td>Aceton</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>32201-2,5L-M</td><td></td></tr><tr><td>Szczelne szkło</td><td></td><td>Wykonano na zamówienie</td><td></td></tr><tr><td>Bilans analityczny</td><td>Sartorius</td><td>1409 001</td><td></td></tr><tr><td>Bezwodny cykloheksan</td><td>Thermo Scientific</td><td>11403087</td><td>&ge; 99% czystości</td></tr><tr><td>Gaz argon</td><td>LINDE GAS</td><td>2890122 2010</td><td>Rozmiar butelki S11Czystość 99,9999%</td></tr><tr><td>Pióro z diamentowym grotem</td><td>Oxford Instruments Sarl</td><td>T5357</td><td></td></tr><tr><td>Sucha pompa przesuwana</td><td>Edwards</td><td>XDS10&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Etanol</td><td>VWR Chemicals</td><td>20821.365</td><td></td></tr><tr><td>Poziomy piec rurowy</td><td>CARBOLITE GERO</td><td>EST12150B-230SN</td><td>Piec programowalny</td></tr><tr><td>Prasa hydrauliczna</td><td>Rondol</td><td></td><td>Ręczne, na stole, z płytami grzewczymi</td></tr><tr><td>Kwas fluorowodoronowy (HF)</td><td>VWR Chemicals</td><td>20319.291</td><td>48% HF użyto do produkcji roztworu 10% objętości</td></tr><tr><td>Łódź aluminiowa Inconel</td><td>ANALAB</td><td>AR9001</td><td>54 x 18 x 13,3 mm3</td></tr><tr><td>Izopropanol</td><td>VWR Chemicals</td><td>20842.367</td><td></td></tr><tr><td>Metaliczny sod</td><td>Chemikalia termonaukowe</td><td>L13285.24</td><td>99% czystości</td></tr><tr><td>Rurka kwarcowa</td><td>ALC Quartz</td><td>Wykonano na zamówienie</td><td>średnica zewnętrzna: 65,5 &plusmn; 0,3 mm, średnica wewnętrzna: między 57 a 60 mm, długość: 550 mm</td></tr><tr><td>System trawienia RIE</td><td>CORIAL</td><td>210IL</td><td></td></tr><tr><td>Segmentowana obrobiarka</td><td>Facom</td><td>844.S9PB</td><td>Szerokość łopata 9 mm</td></tr><tr><td>Płytka krzemowa (c-Si (001))</td><td>BT Electronics</td><td>Z magazynu</td><td>525 &plusmn; 25 & mikro; m gruby, jednostronnie polerowany, n-dopowany (P) krzem (001)</td></tr><tr><td>Rura ze stali nierdzewnej</td><td>Hositrada</td><td>Wykonano na zamówienie</td><td>Używany do montażu szczelnego, materiał SST304</td></tr><tr><td>Heksafluorek siarki (SF6)</td><td>Air Liquide</td><td>P0964S05R0A001</td><td>Czystość butelki S05 99,9990%</td></tr><tr><td>Drut tantalowy (Ta)</td><td>Chemikalia termonaukowe</td><td>10349.G9</td><td>0,5 mm średnicy 99,95% czystości, 25 m całkowitej</td></tr><tr><td>Turbopompa</td><td>Edwards</td><td>EXT255H</td><td></td></tr></tbody></table>

wytwarzanie i optymalizacja filmów typu ii z użyciem klatryn krzemowych

Fabrication and Optimization of Type II Silicon Clathrate Films

Klatrany krzemu (SiCL) to klasa materiałów o strukturze klatkowej o właściwościach optoelektronicznych do regulacji, oferujących znaczący potencjał dla zastosowań fotowoltaicznych. Wśród nich szczególnie atrakcyjne są SiCL typu II (NaxSi136) ze względu na swoją unikalną zdolność odwracalnego przyjmowania atomów gościnnych bez naruszania struktury krystalicznej. Tradycyjne metody syntezy, takie jak synteza pod ekstremalnym ciśnieniem czy wytwarzanie w schowkach rękawiczkowych, choć są niezbędne do badania właściwości wewnętrznych klatratów w dobrze kontrolowanych warunkach, nie są dobrze przystosowane do skalowania i często są energochłonne oraz wymagają specjalistycznego sprzętu. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, opracowano skalowalną, wolną od gloveboxa metodę syntezy opartą na dwóch etapach rozkładu termicznego, która pozwala uzyskać warstwy klatranowe krzemu. Zastosowano obróbkę posyntezową, w tym tłoczenie termiczne i trawienie jonów reaktywnych, aby poprawić właściwości elektryczne materiału. Formowanie się faz i krystaliczność potwierdza dyfrakcja rentgenowska i spektroskopia Ramana; morfologia jest oceniana za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM); a właściwości optoelektroniczne oceniane są za pomocą fotoluminescencji. Takie podejście zapewnia powtarzalną i skalowalną drogę do wytwarzania filmów klatrowych typu II krzemowego, z obiecującym potencjałem integracji z urządzeniami optoelektronicznymi.

Badanie to badało ewolucję strukturalną i optyczną filmów typu II klatratu NaxSi136 przed i po tłoczeniu i trawieniu folii SiCL, wykorzystując kombinację dyfrakcji rentgenowskiej, spektroskopii Ramana oraz pomiarów fotoluminescencji. Pierwszym krokiem jest zapewnienie, że właściwa faza zostanie uzyskana po wykonaniu i po etapach postprodukcji. Rysunek 3 przedstawia wzór dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) θ-2θ (Cu Kα źródło), który potwierdza powstanie fazy SiCL t...

Metoda dwutermicznego wyżarzania umożliwia wytwarzanie cienkich warstw półprzewodnikowego klatranu krzemu typu II. Przeprowadzono zabiegi posyntetyczne, w tym tłoczenie termiczne i trawienie jonów reaktywnych, aby poprawić właściwości materiału. Takie podejście zapewnia dostępną ścieżkę do wytwarzania regulowanych folii klatratowych odpowiednich dla urządzeń elektronicznych i fotonicznych nowej generacji.

Wytwarzanie i optymalizacja filmów typu II z użyciem klatryn krzemowych

Silicon clathrates (SiCL) are a class of cage-structured materials with tuneable optoelectronic properties, offering significant potential for ...

Przedstawiamy protokół syntezy filmów z klatratem krzemowym typu II, które wykorzystują dwie warstwy termiczne i obce, nie wymagające schowka na rękawiczki. To podejście zostało zmienione i bardziej opłacalne. Obecnie kilka laboratoriów produkuje filmy z klatratami krzemowymi.Naszym celem jest podzielenie się tą prostą metodą wytwarzania ze środowiskiem naukowym, kładąc nacisk na przestrzeganie wszystkich określonych eksperymentalnych środków bezpieczeństwa. Rozpocznij od zanurzenia podłoża krzemowego w roztworze kwasu fluorowodorowego 10% na dokładnie dwie minuty, aby usunąć natywny dwutlenek krzemu obecny na powierzchni podłoża. Po ekspozycji na kwas fluorowodorowy dokładnie przepłucz podłoże krzemowe wodą dejonizowaną, aby usunąć wszelkie pozostałości kwasu.Używając pistoletu azotowego, susz podłoże suszarką, aby usunąć pozostałe krople wody i zapobiec osadom powierzchniowym. Za pomocą nożki ostrożnie wyciął kawałek metalicznego sodu, aby uzyskać mały prostokątny plaster ważący około 0,22 grama. Natychmiast umieść plasterek sodu w szczelnym szklanym pojemniku wypełnionym bezwodnym cykloheksanem.Upewnij się, że sód jest całkowicie zanurzony w cykloheksanie, aby zapobiec utlenianiu. Teraz włóż wcześniej przygotowany plasterek sodu do wyczyszczonej łodzi ze stopu kanałowego. Następnie umieść płytkę krzemową bezpośrednio nad kawałkiem sodowym, z wypolerowaną powierzchnią skierowaną w dół w stronę łodzi.Ostrożnie włóż przygotowany zespół do środka szczelnej rury ze stali nierdzewnej oraz uszczelki z uszczelką O-umieszczoną wewnątrz programowalnego poziomego pieca rurowego. Do rurki włóż drut tantalowy o wysokiej czystości o średnicy 0,5 milimetra, długości 3,4 centymetra i o czystości 99,95%, aby wychwycić śladowe ilości tlenu. Uszczelnij oba końce rury ze stali nierdzewnej za pomocą złączek umożliwiających cyrkulację wyłącznie argonu.Płucz zamkniętą rurkę argonem przy stałym ciśnieniu 1,6 bara przez 15 minut, aby utworzyć atmosferę obojętną przez całą reakcję. Następnie podnieś temperaturę pieca z częstotliwością nawigacji pięciu stopni Celsjusza na minutę, aż osiągnie 600 stopni Celsjusza i utrzymuj ją przez 19 godzin. Gdy piec i rura ostygną do temperatury pokojowej, przepłucz system ciągłym przepływem argonu.Przenieś pobrane próbki jak najszybciej do rurki kwarcowej i podłącz ją do dynamicznego pieca próżniowego. Po podłączeniu rurki kwarcowej do systemu pompującego najpierw ewakuuj system za pomocą pompy głównej. Następnie aktywuj pompę turbomolekularną i kontynuuj pompowanie aż do wysokiej próżni pięć razy 10 do mocy minus siedem milibarów.Stopniowo zwiększ temperaturę pieca do 400 stopni Celsjusza przez 30 minut i utrzymuj przez cztery godziny. Następnie wyłącz piec rurowy i pozwól próbce naturalnie ostygnąć do temperatury pokojowej. Po schłodzeniu wyjmij próbkę z pieca.Podnieś dolną płytę, aby stopniowo zwiększać siłę, aż przyłożone ciśnienie osiągnie około dwóch kilo niutonów. Następnie zwolnij przyłożone ciśnienie. Umieść czystą próbkę na dolnej elektrodzie wewnątrz systemu trawienia jonowego reaktywnego.Pompuj komorę, aż ciśnienie bazowe pięć razy 10 do potęgi minus siedem milibarów. Po zakończeniu procesu trawienia wyłącz zarówno zasilacze plazmy sprzężonej indukcyjnie, jak i radiowy, aby zatrzymać plazmę. Usuń pozostałe gazy procesowe z komory.Następnie powoli odwietrzyj komorę z powrotem do ciśnienia atmosferycznego. Na koniec usuń wytrawioną próbkę z komory. Wzór dyfrakcji rentgenowskiej potwierdził powstanie fazy klatratu krzemu typu 2 zarówno w próbkach trawionych z prasowanymi, jak i tłoczonymi próbkami trawionymi, z ostrymi pikami odpowiadającymi 010895534 ICDD oraz słabymi odbiciami wskazującymi na obecność drobnej fazy wtórnej krzemowej tkaniny typu pierwszego.Po wytrawieniu pozycje szczytów pozostały niezmienione, ale wykazywały niewielkie zmniejszenie intensywności. Spektroskopia Ramana wykazała, że zarówno próbki stłoczone, jak i tłoczone na krawędzi wykazywały charakterystyczne piki w okolicach 185, 290 i 460 centymetrów odwrotnych, odpowiadające klatkom SI 20 i SI 28 w strukturze klatratu typu drugiego. Pomiary luminescencji fotograficznej wykazały szerokie pasmo emisji skupione na około 1,75 elektronowo w próbkach trawionych zarówno tłoczonych, jak i tłoczonych, co odpowiada quasi-bezpośredniej przerwie pasmowej półprzewodnikowych klatratów krzemowych, zdjęcia z góry SEM próbki z ciśnieniem ujawniły gładszą powierzchnię z wyraźnie zmniejszonymi granicami ziaren, podczas gdy przekroje poprzeczne wykazały większą gęstość filmu i spójność strukturalną.Po suchym trawieniu SF6, zdjęcia z góry SEM pokazały przemianę w teksturowaną morfologię powierzchni, a obrazy przekrojowe potwierdzały zmiany struktury powierzchni w porównaniu do filmu niewyciężonego. Z powodzeniem wyprodukowaliśmy filmy z klatratem krzemu typu 2 i poprawiliśmy ich właściwości dzięki dwóm postsyntetycznym schematom: prasowaniu termicznemu oraz procesowi trawienia jonów reaktywnych. Zastosowaliśmy różne techniki charakteryzacji, w tym XRD oraz spektroskopię zakłóceń, aby potwierdzić pomyślne powstawanie klatratów i przewodzących warstw.Uważamy, że ta praca stanowi osobny kamień dla dalszego zastosowania klatranatów krzemu w technologii półprzewodnikowej.

fabrication-and-optimization-of-type-ii-silicon-clathrate-films

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Polikrystaliczne cienkowarstwowe ogniwa słoneczne z krzemu na szkle są wytwarzane poprzez osadzanie warstw krzemu domieszkowanego borem i fosforem, a następnie krystalizację, pasywację defektów i metalizację. Pułapkowanie światła oparte na plazmonice wprowadza się poprzez formowanie nanocząsteczek Ag na powierzchni ogniwa krzemowego pokrytego reflektorem dyfuzyjnym, co skutkuje wzrostem prądu światła o ok. 45%.

Ogniwa słoneczne z cienkich warstw polikrystalicznego krzemu z plazmonicznym wspomaganiem pułapkowania światła

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

Opisano metodę trwałego łączenia dwóch płytek krzemowych w celu uzyskania jednolitej obudowy. Obejmuje to przygotowanie płytek, czyszczenie, klejenie RT i procesy wyżarzania. Powstałe połączone płytki (komórki) mają jednorodność obudowy ~1%1,2. Uzyskana geometria pozwala na pomiary zamkniętych cieczy i gazów.

Wytwarzanie jednolitych wnęk w nanoskali za pomocą bezpośredniego łączenia płytek krzemowych

Przedstawiono protokół do przygotowania piezoelektrycznych makroporowatych warstw epitaksjalnych kwarcu na krzemie za pomocą chemii roztworu przy użyciu powlekania zanurzeniowego i obróbki termicznej w powietrzu.

Otrzymywanie makroporowatych epitaksjalnych warstw kwarcowych na krzemie przez osadzanie roztworu chemicznego

Poprzez siarkowanie wstępnie osadzonych metali przejściowych, można wytwarzać heterostruktury krystaliczne o dużej powierzchni i pionowe 2D. W niniejszym raporcie przedstawiono również procedury przenoszenia folii i produkcji urządzeń.

Otrzymywanie wielkopowierzchniowych pionowych heterostruktur krystalicznych 2D poprzez siarkowanie warstw metali przejściowych do wytwarzania urządzeń

Przedstawiamy szczegółową metodę wytwarzania odkształcalnej bocznej matrycy fototranzystorów NIPIN dla zakrzywionych czujników obrazu. Matryca fototranzystorów o otwartej formie siatki, która składa się z cienkich wysp krzemowych i rozciągliwych metalowych łączników, zapewnia elastyczność i rozciągliwość. Analizator parametrów charakteryzuje właściwości elektryczne wyprodukowanego fototranzystora.

Wykonanie elastycznego przetwornika obrazu opartego na bocznych fototranzystorach NIPIN

Teoretyczne obliczenia i eksperymentalna weryfikacja są proponowane w celu zmniejszenia gęstości dyslokacji gwintów (TD) w warstwach epitaksjalnych germanu z półcylindrycznymi pustkami na krzemie. Przedstawiono obliczenia oparte na oddziaływaniu TD z powierzchnią za pomocą siły obrazu, pomiary TD oraz obserwacje TD za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego.

Obliczenia teoretyczne i weryfikacja eksperymentalna redukcji dyslokacji w warstwach epitaksjalnych germanu z półcylindrycznymi pustkami na krzemie

Ta praca przedstawia protokoły mikrofabrykacji do uzyskiwania wnęk i filarów o profilach reentrantowych i podwójnie reentrantowych na płytkach SiO2/Si za pomocą fotolitografii i suchego trawienia. Powstałe w ten sposób mikroteksturowane powierzchnie wykazują niezwykłą odporność na ciecze, charakteryzującą się solidnym, długotrwałym zatrzymywaniem powietrza pod zwilżającymi cieczami, pomimo wewnętrznej zwilżalności krzemionki.

Nadawanie powierzchniom SiO2/Si omnifobii poprzez rzeźbienie mikrotekstur zatrzymujących gaz, zawierających wnęki lub filary reentrantowe i podwójnie współbieżne

Ta praca przedstawia szczegółowy protokół mikrowytwarzania nanostrukturalnego wspornika α-kwarcowego na podłożu w technologii Silicon-On-Insulator(SOI), zaczynając od epitaksjalnego wzrostu warstwy kwarcowej metodą powlekania zanurzeniowego, a następnie nanostrukturyzacji cienkiej warstwy za pomocą litografii nanoimprint.

Epitaksjalne nanostrukturalne warstwy α-kwarcowe na krzemie: od materiału do nowych urządzeń

Obecny protokół opisuje krystalizację mikroskopijnych kryształków lodu i hydratów klatratu w urządzeniach mikroprzepływowych, umożliwiając wymianę cieczy wokół utworzonych kryształów. Daje to niezrównane możliwości badania procesu krystalizacji i mechanizmów wiązania inhibitorów.

Mikroprzepływowe podejście do badania krystalizacji lodu i hydratów klatratu

W tym artykule prześledzono cykl życia rezonatora membranowego z azotku krzemu, od projektu, przez produkcję, aż po charakterystykę.

Wytwarzanie i charakterystyka rezonatorów membranowych z azotku krzemu o wysokiej zawartości Q

Poznaj metodę wytwarzania filmów klatryn krzemowych typu II z użyciem dwustopniowego wygrzewania termicznego. Protokół ten jest prosty, ekonomiczny i nie wymaga stosowania rękawiczkowej komory ochronnej.

Wytwarzanie i optymalizacja filmów typu II z użyciem klatryn krzemowych

Przeglądaj więcej filmów