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Crescimento sem sementes de bismuto Nanowire matriz via vácuo evaporação térmica

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DOI:

10.3791/53396

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21 de dezembro de 2015

 ,  , 
1Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory

Neste artigo

Resumo

Um protocolo para crescimento sem sementes e de alto rendimento de matrizes de nanofios de bismuto através da técnica de evaporação térmica a vácuo é apresentado.

Resumo

Aqui uma técnica sem sementes e sem modelo é demonstrado escalavelmente crescer nanofios de bismuto, por meio de evaporação térmica em alto vácuo à temperatura ambiente. Convencionalmente reservados para a fabricação de filmes finos de metal, depósitos de evaporação térmica de bismuto em uma matriz de nanofios verticais único cristalinos sobre uma película fina plana de vanádio realizada na RT, que é preparado na depositado por pulverização catódica magnetrão ou evaporação térmica. Ao controlar a temperatura do substrato de crescimento do comprimento e largura dos nanofios pode ser ajustado ao longo de um amplo intervalo. Responsável por esta nova técnica é um mecanismo de crescimento nanofio anteriormente desconhecido que as raízes na porosidade leve da película fina de vanádio. Infiltrados nos poros de vanádio, os domínios de bismuto (~ 1 nm) carregam energia excessiva superfície que suprime seu ponto de fusão e continuamente expulsa-los para fora da matriz de vanádio para formar nanofios. Esta descoberta demonstra a viabilidade de vapor escalável fase synthesis de alta pureza nanomateriais sem usar catalisadores.

Introdução

Nanofios de limitar o transporte de portadores de carga e outros quasiparticles, tais como fótons e plasmons em uma dimensão. Assim, nanofios geralmente exibem novas propriedades elétricas, magnéticas, ópticas e químicas, que lhes concedem potencial quase infinita para aplicações em fotônica, eletrônica, tecnologias biomédicas, ambientais e relacionados com a energia micro / nano. 1,2 Durante as duas últimas décadas, numerosos top-down e bottom-up abordagens têm sido desenvolvidos para síntese de uma ampla gama de metais ou semicondutores nanofios de alta qualidade em escala de laboratório 3-6. Apesar destes desenvolvimentos, cada abordagem depende de determinadas propriedades únicas do produto final para o seu sucesso. Por exemplo, o método popular de vapor-líquido-sólido (VLS) é melhor ajuste para os materiais semicondutores que têm pontos de fusão mais elevados e formam liga eutéctica com correspondente "sementes" catalíticos. 7 Como resultado, a síntese de um nanofioo material de interesse particular não pode ser coberta por técnicas existentes.

Como um semimetal com pequena sobreposição indireta band (-38 meV a 0 K) e portadores de carga invulgarmente luz, bismuto é um exemplo. O material se comporta radicalmente diferente em dimensão reduzida quando comparada ao seu volume, como confinamento quântico poderia transformar nanofios de bismuto ou filmes finos em um semicondutor lacuna de banda estreita. 8-12 Nesse meio tempo, a superfície de formas de bismuto um metal quase-bidimensional que é significativamente mais do que a sua massa metálica. 13,14 Mostrou-se que a superfície de bismuto alcança uma mobilidade dos electrões de 2 x 10 4 cm 2 seg -1 -1 V e contribui fortemente para a sua termoeléctrica em forma nanofio. 15 Como tal, existem interesses significativos no estudo de nanofios de bismuto para eletrônica e em determinadas aplicações termelétricas. 12-16 No entanto, devido ao bismuto de muito baixoponto de fusão (544 K) e prontidão para a oxidação, continua a ser um desafio para a síntese de alta qualidade e nanofios de bismuto cristalino únicos usando fase de vapor ou de soluções técnicas de fase tradicionais.

Anteriormente, foi relatado por alguns grupos que único cristalinas nanofios de bismuto crescer em baixo rendimento durante a deposição em vácuo de película fina de bismuto, o que é atribuído à libertação de tensão embutido na película. 17-20 Recentemente, descobrimos um novo técnica que é baseada na evaporação térmica de bismuto sob alto vácuo e conduz à formação escalável de nanofios individuais bismuto cristalino de alto rendimento. 21 Comparando a previamente relatada métodos, a principal característica desta técnica é que o substrato de crescimento é recentemente revestidas com uma fina camada de nanoporoso vanádio antes da deposição de bismuto. Durante a evaporação térmica deste último, o vapor de bismuto infiltra-se na estrutura nanoporoso do furgãoadium filme e condensa lá como nanodomínios. Desde vanádio não seja humedecido por bismuto condensado, os domínios infiltradas são posteriormente expulsos a partir da matriz de vanádio para liberar sua energia de superfície. É a expulsão contínua dos nanodomínios bismuto que formam os nanofios de bismuto verticais. Uma vez que os domínios de bismuto são apenas 1-2 nm de diâmetro, que estão sujeitas a supressão do ponto de fusão significativa, o que os torna quase fundida à TA. Como resultado, o crescimento nanofios prossegue com o substrato realizada à temperatura ambiente. Por outro lado, como o da migração dos domínios de bismuto é activado termicamente, o comprimento e a largura dos nanofios pode ser sintonizado através de uma vasta gama por simplesmente controlar a temperatura do substrato de crescimento. Este protocolo de vídeo detalhado destina-se a ajudar os novos profissionais da área evitar vários problemas comuns associados com a deposição de vapor física de filmes finos em um ambiente livre de oxigênio alto vácuo.

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Protocolo

Atenção: Por favor, consulte todas as fichas de dados de segurança do material (MSDS) relevantes antes de usar. Os nanomateriais podem ter riscos adicionais em comparação com o seu homólogo granel. Utilize todas as práticas de segurança adequadas ao manusear substratos coberto de nanomaterial, incluindo o uso de controles de engenharia (extractor de fumo) e equipamentos de proteção individual (óculos de segurança, luvas, jaleco, calça de corpo inteiro, fechou-toe sapatos).

1. Trabalhos preparatórios

  1. Preparação do sistema de deposição de vapor
    1. Faça a ventilação da câmara de deposição de pressão atmosfera e abrir a câmara. A ventilação é feito pressionando o botão "Start PC ventilação" na interface do software de controle, que inicia automaticamente uma sequência que ventilar a câmara à pressão atmosférica. Ao alcançar a pressão da câmara de atmosfera aberta puxando a porta Acesso frente.
    2. Montar um barco evaporação de tungstênio (alumina revestido) entre um par de eléctrodos evaporação térmica. Coloque 1pelotas g de bismuto para o barco evaporação.
    3. Montar um alvo vanádio pulverização catódica com a fonte de pulverização catódica. Consulte o passo 1.1.4) para o sistema de deposição que não está equipado com uma fonte de pulverização catódica.
    4. (Opcional, para o sistema de deposição que não está equipado com uma fonte de pulverização catódica) montar um barco evaporação tungsténio entre um par de eléctrodos de evaporação térmica. Coloque 0,5 g lesmas vanádio no barco evaporação.
    5. Ligue os conectores mini-bananas (dois para o aquecimento / arrefecimento e potência de dois para sonda de temperatura) do controlador de temperatura de circuito fechado para a passagem direta elétrica do sistema de deposição.
  2. Preparação de substratos de crescimento
    Nota: A formação de nanofios de bismuto é insensível ao substrato de crescimento de escolha. Resultados semelhantes foram obtidos a partir de lâminas de vidro, placa de silício, ou folha de metal. É recomendado pelos autores que o substrato deve ser limpos imediatamente anterior à vaporprocesso de deposição, a fim de conseguir uma adesão consistente da subcamada de vanádio. Várias técnicas de limpeza do substrato, incluindo a limpeza de plasma e limpeza química húmida, pode ser aplicada e levar a resultados semelhantes.
    1. Limpar os substratos de crescimento por plasma de oxigênio
      1. Coloque os substratos de crescimento em um aspirador de plasma e bombear a câmara, premindo o botão "VAC ON" botão, a sua pressão base de 10 mTorr.
      2. Abra a válvula de gás oxigênio e introduzir gás oxigênio para a câmara pressionando o "GAS ON" botão no painel frontal e ajustar a taxa de fluxo, pressionando os botões "decr" para controle de fluxo de gás "INCR" e de manter uma pressão da câmara de cerca de 100 mTorr.
      3. Defina a energia do plasma em 20 W, pressionando os botões "decr" "INCR" e para o controle de poder e inflamar o plasma, pressionando o "RF ON" botão.
      4. Espere 5 minutos antes de desligar o plasma pressionando "; RF ON ". Botão ventilar a câmara premindo o botão" Bleed "e recuperar os substratos.
    2. Limpar os substratos de crescimento por método químico molhado
      1. Mergulhar os substratos de crescimento contidos em acetona numa proveta. Colocar a proveta numa ultrasonicator e sonicar durante 2 min à potência máxima.
      2. Remover os substratos da proveta e lavá-los com uma corrente de álcool absoluto a partir de um frasco de lavagem durante 30 segundos.
      3. Secam-se os substratos em uma corrente de azoto gasoso.
  3. Carregamento de substrato e sistema de deposição de bombagem
    1. Montar o conjunto de controle de temperatura do substrato para o suporte de substrato.
    2. Use grampos de mola para montar os substratos de crescimento na parte superior do conjunto de arrefecimento / aquecimento Peltier.
    3. Montar o suporte do substrato totalmente montado dentro da câmara de deposição de vapor, com os substratos de frente para as fontes de deposição. Ligue os oríficios de passagem elétrica para oRefrigerador Peltier / montagem de aquecedor.
    4. Fechar o obturador substrato para evitar a deposição não intencional para o substrato.
    5. Começar a bombear para baixo da câmara de deposição. O bombeamento é feito pressionando o botão "Iniciar PC Pumping" na interface do software de controle, que inicia automaticamente uma sequência que bombear a câmara à sua pressão base.

2. Crescimento de bismuto Nanowires

Nota: A experiência não está a avançar para o próximo passo até que a pressão de base da câmara de deposição atingiu 2 × 10 -6 Torr ou menos.

  1. A deposição da camada interior vanádio
    Nota: O melhor reprodutibilidade experimental é obtida quando a camada interior de vanádio é depositado pelo método de descarga eléctrica do magnetrão. Na ausência de uma fonte de pulverização catódica, de alta reprodutibilidade pode também ser conseguida ainda por depositar a camada inferior de vanádio utilizando o método de evaporação térmica, desde que o sistema de deposição hasa pressão base baixa (≤ 5 × 10 -7 Torr). Consulte a etapa 3.1.2 para os detalhes.
    1. Deposição de vanádio com uma fonte de pulverização catódica.
      1. Iniciar o fluxo de árgon na fonte de pulverização catódica. Ajustar a taxa de fluxo para 40 sccm.
      2. Ajuste a taxa de revolução da bomba turbomolecular para uma pressão na câmara de 2,5 mTorr.
      3. Enquanto a câmara está a atingir gradualmente a sua pressão estado estacionário, defina os fatores de calibração espessura para a QCM. Para vanádio, a densidade é de 5,96 g / cm3 e o factor-Z é 0,530.
      4. Ligue a fonte de pulverização catódica DC e definir o poder em 200-250 W. Para o sistema de deposição operado pelos autores, a taxa de deposição é de cerca de 0,4 A / seg a este poder. Sem abrir o obturador substrato, manter a fonte de corrente durante 2 minutos.
        NOTA: Com este passo o óxido nativo na fonte de vanádio é removida, expondo a superfície de vanádio fresco.
      5. Abra o obturador substrato para iniciar Depositio vanádion. Nesse meio tempo, redefinir a espessura acumulada da QCM a zero.
      6. Continuar até que a deposição de uma espessura aparente de 20 nm é acumulada, por leitura QCM. Feche o obturador substrato.
      7. Gradualmente diminuir a potência de descarga eléctrica para zero. Desligue a fonte.
      8. Desligue o fluxo de árgon. Retornar a bomba turbomolecular à sua potência máxima.
    2. (Opcional, para o sistema de deposição que não está equipado com uma fonte de pulverização) a deposição de vanádio com uma fonte de evaporação térmica.
      1. Devido ao elevado ponto de fusão de vanádio (1910 ° C) e a sua disponibilidade para a oxidação, é recomendável que a sua evaporação térmica ser conduzida a uma pressão de base de 5 × 10 -7 Torr ou menos.
      2. Defina os fatores de calibração espessura para a QCM. Para vanádio, a densidade é de 5,96 g / cm3 e o factor-Z é 0,530.
      3. Ligue a energia de evaporação térmica para fornecimento a fonte de vanádio.Lentamente, aumentar o poder de aquecimento para o barco de tungstênio até as lesmas vanádio derreter.
      4. Com o obturador substrato mantidas fechadas, lentamente aumentar o poder de aquecimento até uma velocidade de deposição de 2 A / sec é alcançado, por leitura QCM. Abrir o obturador do substrato para iniciar a deposição de vanádio. Nesse meio tempo, redefinir a espessura acumulada da QCM a zero.
      5. Continuar até que a deposição de uma espessura aparente de 50 nm, são acumuladas. Feche o obturador substrato.
      6. Gradualmente diminuir a potência de evaporação térmica a zero. Desligue a fonte.
  2. A deposição de nanofios de bismuto
    1. Para a deposição de bismuto a temperatura acima ou abaixo da temperatura ambiente, ajustar o valor desejado para o controlador de temperatura. Aguardar até que a temperatura desejada seja atingida.
    2. Defina os fatores de calibração espessura para a QCM. Para bismuto, a densidade é de 9,78 g / cm3 e o factor-Z é 0,790.
    3. Ligue a energia evaporação térmica suplicar à fonte de bismuto. Lentamente, aumentar o poder de aquecimento para o barco de tungstênio até que a taxa de deposição de 2 Å / s é alcançado, por leitura QCM.
    4. Abra o obturador substrato para começar a deposição de bismuto. Nesse meio tempo, redefinir a espessura acumulada da QCM a zero.
    5. Continuar até que a deposição de uma espessura aparente de 50 nm, são acumuladas. Feche o obturador substrato.
    6. Gradualmente diminuir a potência de evaporação térmica a zero. Desligue a fonte.
    7. Desligue a fonte de alimentação para o elétrico refrigerador / aquecedor térmico.
    8. Faça a ventilação da câmara de deposição de pressão atmosfera e abrir a câmara. Recuperar o suporte de substrato e recolher os nanofios de bismuto substratos cobertos.

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Resultados

As imagens de secção transversal SEM de subcamadas de vanádio formadas por pulverização catódica e evaporação térmica métodos são apresentados na Figura 2. A microscopia electrónica de varrimento imagens (SEM) são apresentados para os nanofios de bismuto formados em diferentes temperaturas de substrato (Figura 3). A estrutura cristalina dos nanofios de bismuto é determinada por meio de microscopia electrónica de transmissão (TEM), selectivo de difracção de electrões áre...

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Discussão

O crescimento de nanofios de bismuto é para ser conduzida num sistema de deposição física de vapor com pelo menos duas fontes de deposição, um para outro e bismuto para vanádio. Recomenda-se que uma das fontes é uma fonte de pulverização catódica, para a deposição de vanádio. Alto vácuo é conseguido por um bombas turbomoleculares apoiados por uma bomba de deslocamento seco. O sistema de deposição de vapor está equipada com uma microbalança de cristal de quartzo calibrado (QCM) para monitorização de espessura

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Divulgações

Os autores não têm nada a divulgar.

Agradecimentos

A pesquisa é realizada no Centro de Nanomateriais Funcionais, Laboratório Nacional de Brookhaven, que é apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências Básicas de Energia, sob o Contrato No. DE-SC0012704.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
BismutoSigma-Aldrich556130Granular, 99.999%
Vanádio SlugAlfa Aesar428293.175  mm (0,125  in) de diâmetro x 6,35  mm (0,25  pol) de comprimento, 99,8%
Vanádio Sputtering TargetKurt J. LeskerEJTVXXX253A23,00" Dia. x 0,125" de espessura, 99,5%
de acetonaSigma-Aldrich179124>99,5%
EtanolAlfa Aesar33361
Wafers de SilícioUniversity Wafers300 mícrons de espessura, (100) orientação
O circuito trabalha ocondutor de duas partesCW2400
, alumina revestiuR. D. MathisS9B-AO-WPara a evaporação térmica do bismuto
Barco. D. MathisS4-.015Wpara a evaporação térmica do vanádio
RIE PlasmaNordson marçoCS-1701
PVD 75 Plataforma do depósito do vaporKurt J. LeskerPEDP75FTCLT001Equipado com três fontes de evaporação térmica e uma fonte de pulverização catódica de magnetron DC
Controlador de temperatura termoelétricoLairdTechMTTC-1410
PT1000 RGDLairdTech340912-01Sensor de temperatura para módulo termoelétrico MTTC-1410
LairdTech56910-502
UltrasonicatorCrest UltrasonicsTru-Sweep 175
Anidro Epóxi Preenchido com Prata barco do tungstênio da resina de cola Epoxy R

Referências

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