Preparação de macroporosas Epitaxial quartzo Filmes sobre Silicon Chemical Solution Deposition por

Resumo

Um protocolo é apresentado para a preparação de filmes epitaxiais piezoelétricos macroporosos de quartzo sobre silício por solução química usando dip-coating e tratamentos térmicos ao ar.

Resumo

Este trabalho descreve o protocolo detalhado para a preparação de filmes de quartzo epitaxial macroporoso piezoelétrico em substratos de silício(100). Este é um processo de três etapas baseado na preparação de um sol em uma síntese de um pote que é seguida pela deposição de um filme de gel em substratos de Si(100) por automontagem induzida por evaporação usando a técnica de revestimento por imersão e termina com um tratamento térmico do material para induzir a cristalização do gel e o crescimento do filme de quartzo. A formação de um gel de sílica é baseada na reação de um ortossilicato de tetraetila e água, catalisada por HCl, em etanol. No entanto, a solução contém dois componentes adicionais que são essenciais para a preparação de filmes de quartzo epitaxial mesoporosos a partir desses géis de sílica revestidos por imersão em Si. Íons alcalino-terrosos, como Sr²⁺, atuam como agentes de fusão de vidro que facilitam a cristalização da sílica e, em combinação com o molde anfifílico de brometo de cetiltrimetilamônio (CTAB), formam uma separação de fases responsável pela macroporosidade dos filmes. A boa correspondência entre os parâmetros das células de quartzo e silício também é essencial na estabilização do quartzo sobre outros polimorfos de SiO₂ e está na origem do crescimento epitaxial.

Introdução

Quando um material piezoeléctrico como quartzo-α é submetido a uma tensão de polarização que é submetido a uma deformação mecânica. Se este material é poroso, estas variações de volume podem conduzir a expansão dos poros ou contracção, a criação de um sistema sensível semelhante ao que pode ser observada em vivo organelas biológicas. ¹ deformável poroso α-quartzo foi produzido utilizando microfabrico, ^{2, mas} tais técnicas não podem ainda produzir estruturas de poros de 3-D, e são diâmetros de poros da ordem de centenas de nanómetros. A cristalização de sílica amorfa estruturada tem sido dificultada pela nucleação não homogêneo causado por altas energias de superfície e deformação arquitetônica devido ao engrossamento e de fusão. Além disso, uma vez que todas as formas de sílica são construídos sobre SiO ₄ redes de tetraedros extremamente estáveis, as energias livres de formação de sílica amorfa, α-quartzo e outros SiO ₂ polimorfos são quase iguais em uma ampla gama de temperaturas, fazendog difícil produzir α-quartzo, como um único polimorfo da cristalização de um gel de sílica amorfa. ³ Outro aspecto que torna mais difícil a cristalização controlada de sílica amorfa estruturado é que o quartzo apresenta uma velocidade de nucleação relativamente lento, mas uma taxa de crescimento extremamente rápido, relataram entre 10-94 nm / seg. ^4,5 nucleação lenta associada a um crescimento rápido tende a gerar cristais muito maiores do que a estrutura original é nanoporoso, assim, a morfologia original é perdido. Metais alcalinos, tais ^como Na + e Li ^+, têm sido utilizados para cristalizar α-quartzo, frequentemente em combinação com o tratamento hidrotérmico. ^5,6 Além disso, um Ti ⁴⁺ / Ca ²⁺ combinação foi utilizado para cristalizar partículas esféricas de sílica em quartzo por uma via química suave utilizando alcóxidos de silício. ^7. No entanto, a cristalização controlada de uma película de sílica amorfa estruturado em quartzo manteve-se um desafio.

Recentemente, estrôncio foi encontrado para catalisar a nucleação e o crescimento cristalino de _SiO2 sob pressão ambiente e a temperaturas relativamente baixas. ^8,9 epitaxia, surge a partir do desfasamento favorável entre α-quartzo e o substrato> silício <100, produção de filmes finos orientados piezoeléctricos. A evaporação induzida por auto-montagem para a produção de filmes de sílica mesoporosa tem sido usado desde 1999. ¹⁰ Esta técnica tem sido estudado e aplicado a um grande número de agentes modeladores sob várias condições para produzir poros de tamanhos variáveis ​​e mesofases. Verificou-se que as mudanças no tamanho mesoporo subnanometric pode ter um efeito dramático sobre a difusão de soluto através de sistemas porosos ^11, validando esta grande atenção à estrutura de poros. Além disso, a acessibilidade ao sistema de silica de poro interna pode ser obtido através do controlo da fase micelar do molde ^12.

Aqui, a via de síntese Tchapéu permite controlo sem precedentes sobre o tamanho de poro e da espessura das camadas de sílica amorfa usando uma separação de fases é demonstrada romance. ¹³ Estas películas são infiltradas com (ii) sais de estrôncio e cristalizou-se para ácido a-quartzo a 1000 ° C sob ar à pressão ambiente. O tamanho de poro retainable usando este processo de cristalização é determinado, e o efeito da espessura da parede e espessura da película é estudada. Finalmente piezeletrecidade e a deformabilidade do sistema de poros, são estudados.

Protocolo

1. Preparação do Sol

1. Prepara-se uma solução de orto-silicato de tetraetilo prehydrolyzed (TEOS) no dia anterior à preparação das películas de gel num exaustor de fumos, em que uma balança de laboratório e um agitador magnético são colocados. Nesta etapa e durante todo o protocolo usar um jaleco, luvas e óculos de segurança.
   1. Em um copo de 50 mL contendo uma barra de agitação magnética revestida a Teflon pesar 1,68 g de CTAB, adicionar 48,13 ml de etanol e 3,00 ml de HCl a 35%, cobrir o copo com um vidro de relógio e agita-se até que o CTAB é completamente dissolvido.
   2. Adicionar 7,37 ml de TEOS, gota a gota ao copo (a uma taxa de cerca de 1-2 gotas por segundo), enquanto se agitava, cobrir o frasco com um vidro de relógio e deixar agitar S / N.
2. No dia seguinte, preparar uma solução aquosa 1 M de Sr ^2+. Executar esta e as seguintes etapas pouco antes da preparação das películas de gel, porque uma solução envelhecida é propenso a re-precipitação do sal Sr.
   1. Pesar 6,6654 g de _SrCl2 · 6H _{2 O} em um balão volumétrico de 25 ml.
   2. Adicionar água ultrapura (por exemplo, Milli-Q) até 25 ml (menisco tangente à marca de balão) e tapar o balão com uma tampa de plástico e agite o frasco para dissolver o cloreto de estrôncio.
3. Adicionar 2 ml de solução aquosa 1 M de Sr ²⁺ para a proveta de vidro de 50 ml contendo a solução coloidal que foi deixada em agitação S / N. Agita-se a solução durante 25 min.
4. Descarte os resíduos que tenham sido, eventualmente gerados de acordo com os protocolos de segurança e protecção do ambiente de laboratório.

2. Gel película de deposição de Si (100) Substratos

1. Preparação dos substratos
   1. Cortar Si lajes de cerca de 2 cm por 5 cm em cada um de 2 polegadas do tipo p (100) da bolacha de silício com uma espessura de 200 micra por clivagem da bolacha numa direcção paralela ou perpendicular ao plano da bolacha usando uma ponta de diamante ou um objeto pérfuro-cortante. Execute esta etapa em anúncioVance, por exemplo, um dia antes da deposição das películas de gel.
   2. Pouco antes da deposição dos géis, limpar os substratos com etanol e deixar secar ou usar um fluxo de azoto ou ar comprimido para acelerar a secagem. Execute esta etapa enquanto aguarda a conclusão da etapa 1.3.
2. Brasão dos filmes. A fim de se obter uma estrutura homogénea macroporos executar este passo sob condições de humidade relativa entre 20% e 55%, à TA.
   1. Estabelecer uma sequência de revestimento por imersão. Seleccionar as posições iniciais e finais, tendo em conta o comprimento real da laje de Si e o nível da solução no recipiente de forma a que a laje é, pelo menos, 2 cm acima do nível da solução na posição de partida e 1 cm acima do fundo do proveta no final da imersão. Defina ambas as velocidades de imersão e retirada a 150 mm / min. Defina o tempo de imersão (o tempo na posição final) para zero.
   2. Após a conclusão do passo 1.3 Colocar o copo com a assimlução em uma posição bem centrada abaixo da laje Si pendurado no braço dip-coater.
   3. Fix uma extremidade da laje de Si ao braço DIP-revestidor com o grampo, assegurando a laje é o mais perpendicular possível em relação à horizontal.
   4. Execute a sequência de revestimento por imersão e desencaixe a laje Si a partir do braço dip-coater. Repita os passos 2.2.3 e 2.2.4 com lajes Si adicionais para produzir mais filmes, tomando cuidado para não estender esses preparativos para além de 1 h, para assegurar que a estabilidade da solução não seja comprometida.
3. Descarte as soluções que foram gerados, eventualmente, de acordo com os protocolos de segurança e protecção do ambiente de laboratório.

3. Gel de Cinema de cristalização por tratamento térmico

1. O tratamento térmico das películas de gel de Si (100).
   1. Programa de um forno para executar o seguinte tratamento térmico em atmosfera de ar: aquecimento do IR para 1000 ° C a 3 ° C / min, mantendo a 1.000 °; C durante 5 horas e arrefecimento até à TA, a 3 ° C / min.
   2. Colocar os substratos de Si revestidas por imersão em uma barquinha de alumina, introduzi-la no forno e executar o tratamento térmico.
2. A limpeza dos filmes cristalizados.
   1. Mergulhar os filmes cristalizados durante 3 horas em HNO ₃ concentrado a fim de remover as acumulações de Sr ²⁺ que foram expulsas para a superfície da película durante a cristalização e em seguida enxaguar as películas primeiro com água desionizada e, em seguida, com etanol.

Resultados

O progresso da síntese material foi controlado através da monitorização diferentes aspectos. Depois de o processo de imersão-revestimento pode-se observar o aspecto dos filmes, o eventual aparecimento de estruturas de difracção no local reflectida de um laser verde e a Microscopia Electrónica de Varrimento (SEM) imagens no modo de electrões com retroespalhamento (Figura 1A-B). Após o processo de cristalização é importante para gravar Atómica microscopia de força (AFM) im...

Discussão

O método apresentado é uma abordagem de baixo para cima para produzir filmes de quartzo macroporosas sobre Si. Comparado com o método padrão de produção de filmes de quartzo, uma tecnologia de ponta para baixo com base no corte e polimento de grandes cristais hidrotermicamente cultivadas, o método descrito no protocolo permite a obtenção de películas muito finas, com espessuras entre 150 e 450 nm, que podem ser controlados com o taxa de retirada. Todos os dados experimentais sobre o controlo do quartzo filmes de espessu...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Revestidor de imersão	Nadetech	ND-DC 11/150
Fornalha	Nabertherm	R 50/250/12
	Agilent	5500 LS
Bolachas de silício	SHE Europe Ltd.
SrCl2· 6H2O	Aldrich	13909
CTAB	Aldrich	H5582
Etanol Absoluto	Aldrich	161086
solução de HCl a 35%	PanReac	721019
TEOS	Aldrich	131903

Microscópio de Força Atômica