Методическая статья

Без косточек Рост Висмут Nanowire массив с помощью вакуумного термического испарения

8.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/53396

⸱

21 декабря 2015 г.

 ,  , 
1Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory

В этой статье

Краткое содержание

Представлен протокол для безпосевного и высокоурожайного роста массивов нанопроволоки висмута с помощью метода вакуумного термического выпаривания.

Аннотация

Вот это техника без косточек и шаблонов бесплатно демонстрируется в масштабируемо расти висмута нанопроводов, через термического испарения в высоком вакууме при комнатной температуре. Обычно зарезервированы для изготовления металлических тонких пленок, тепловых отложений испарения висмута в массив вертикальных монокристаллических нанопроводов над плоской тонкой пленки ванадия проведенного при комнатной температуре, которая свежеосажденного магнетронным распылением или термическим испарением. Контролируя температуру субстрат длина и ширина нанопроводов могут быть настроены в широком диапазоне. Ответственный за эту технику романа ранее неизвестный механизм роста нанопроволоки, что корни в мягкой пористости ванадия тонкой пленки. Проникли в поры ванадия, висмута домены (~ 1 нм) несут избыточную энергию поверхности, которая подавляет их температуру плавления и непрерывно удаляет их из ванадия матрицы, чтобы сформировать нанопровода. Это открытие демонстрирует возможность масштабируемой паровой фазы синтезаторESIS высокой чистоты наноматериалов без использования катализаторов.

Введение

Нанопровода ограничиться транспорт носителей заряда и других квазичастиц, например, фотонов и плазмонов в одном измерении. Соответственно, нанопроволоки обычно проявляют новые электрические, магнитные, оптические и химические свойства, которые предоставляют им почти бесконечный потенциал для применения в микро / нано электроники, фотоники, биомедицинских, экологических и энергетических технологий, связанных с. 1,2 За последние два десятилетия, многочисленные сверху вниз и снизу вверх подходы были разработаны для синтеза широкий спектр высококачественных металлических или полупроводниковых нанопроводов на лабораторном масштабе. 3-6 Несмотря на эти события, каждый подход основан на определенных уникальных свойств конечного продукта для его успеха. Например, метод популярным пар-жидкость-твердое вещество (VLS) лучше подходит для полупроводниковых материалов, имеющих более высокие температуры плавления и образуют эвтектического сплава с соответствующими каталитическими "семена". 7 В результате синтез нанопроволокиМатериал представляет особый интерес не могут быть охвачены существующими методами.

Как полуметаллом с небольшим косвенного перекрытия зон (-38 МэВ 0 К) и необычно легких носителей заряда, висмут является одним из таких примеров. Материал ведет себя радикально отличается по сниженной размерности, когда по сравнению с его навалом, а квантово может превратить висмута нанопроводов или тонких пленок в узком запрещенной зоны полупроводника. 8-12 В то же время, поверхность висмута форм квази-двумерного металла что значительно больше, чем его металлические массы. 13,14 Было показано, что поверхность висмута достигает подвижности электронов 2 × 10 4 см 2 В -1 с -1 и способствует его сильно термоэдс в виде нанопроволоки. 15, например, существуют значительные интересы по изучению висмута нанопроводов для электронных, и в частности термоэлектрических приложений. 12-16 Тем не менее, из-за висмута очень низкаяТочка плавления (544 К) и готовность к окислению, оно остается проблемой для синтеза высокого качества и одиночные нанопроводов кристаллический висмут, используя традиционные методы фазовых паровой фазы или раствора.

Ранее сообщалось, на несколько групп, которые монокристаллического висмута нанопроволоки расти низким выходом во вакуумного напыления тонких пленок висмута, которая приписывается к выпуску стресса построен в фильме. 17-20 Совсем недавно мы открыли роман метод, который основан на термическом испарении висмута в высоком вакууме и приводит к масштабируемой формирования отдельных нанопроводов кристаллического висмута с высоким выходом. 21 По сравнению с ранее известными способами, наиболее уникальной особенностью этого метода является то, что рост субстрат свеже покрытием с тонким слоем нанопористых ванадия до висмута осаждения. Во время термического испарения последнего, пар висмута проникает в структуру нанопористых фургонаAdium кино и конденсируется там нанодоменов. Так ванадия не смачивается конденсированной висмута, инфильтрованного домены впоследствии изгнан из ванадия матрицы, чтобы освободить их поверхностную энергию. Это непрерывный изгнание висмута нанодоменов, что образует вертикальные нанопровода висмута. Поскольку домены висмута только 1-2 нм диаметром, они подвержены значительному подавлению плавления, что делает их почти расплавленный при комнатной температуре. В результате рост нанопровода протекает с подложкой проведенного при комнатной температуре. С другой стороны, как миграция висмута доменов термически активирован, длина и ширина нанопроводов могут быть настроены в широком диапазоне путем простого регулирования температуры ростового субстрата. Это Подробный протокол видео предназначено, чтобы помочь новым практиков в области избежать различных общих проблем, связанных с физическим осаждением из паровой фазы тонких пленок в высоком вакууме, бескислородной среде.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Внимание: Пожалуйста, обратитесь все соответствующие паспорта безопасности материала (MSDS) перед использованием. Наноматериалы могут иметь дополнительные риски по сравнению с их коллегой объемной. При обращении наноматериалов, покрытых субстратов, в том числе с использованием технических средств контроля (вытяжной шкаф) и средств индивидуальной защиты Пожалуйста, использовать все соответствующие практики безопасности (защитные очки, перчатки, халат, полная длина брюк, закрытую обувь).

1. Подготовительная работа

  1. Подготовка паров системы осаждения
    1. Удалить воздух из камеры осаждения в атмосферном давлении и открыть камеру. Выпускное делается путем нажатия кнопки "Start ПК Вентиляция" на интерфейсе программного обеспечения управления, которая автоматически запускает последовательность, проветрить камеру к атмосферному давлению. По достижении давления атмосферы открыть камеру, потянув переднюю дверь обеспечени доступа.
    2. Подключению испарения вольфрамовой лодочке (глинозем покрытием) между парой электродов тепловых испарения. 1 местог висмута гранулы в испарительной лодке.
    3. Установите цель ванадия распыления на источник магнетронного распыления. Обратитесь к шагу 1.1.4) для системы осаждения, который не оборудован распыления источника.
    4. (Необязательно, для системы осаждения, который не оборудован распыления источника) Смонтировать испарения вольфрама лодку между парой тепловых электродов испарения. Поместите 0,5 г ванадия слизняков в испарительную лодке.
    5. Подключите мини-банан разъемы (два для отопления / охлаждения власти и два для датчика температуры) контроллера температуры с обратной связью с электрической проходным отверстием системы осаждения.
  2. Подготовка субстратов для роста
    Примечание: Образование висмута нанопроводов нечувствительна к ростового субстрата выбора. Аналогичные результаты были получены с стекло, кремниевая пластина, или листового металла. Рекомендуется авторами, что подложка должна быть очищена непосредственно перед парПроцесс нанесения, в целях достижения согласованного адгезию подслоем ванадия. Различные методы очистки подложки, в том числе плазменной очистки и влажной химической очистки, могут быть применены и привести к аналогичным результатам.
    1. Очистка подложек роста от кислородной плазмы
      1. Поместите субстраты роста в уборщицей плазмы и накачать камеру, нажав на кнопку "VAC на кнопку", чтобы его базовом давлении 10 мТорр.
      2. Откройте кислорода газовый клапан и ввести газообразного кислорода в камеру, нажав кнопку "газ на" кнопку на передней панели и регулировки расхода, нажав кнопку "INCR" и кнопки "ОВЦС" для контроля расхода газа для поддержания давления в камере около 100 мТорр.
      3. Установите мощность плазмы на 20 Вт, нажав кнопку "INCR" и кнопки "ОВЦС" для управления мощностью и зажечь плазму, нажав кнопку "РФ на кнопку".
      4. Подождите 5 минут перед выключением плазмы, нажав "; РФ ПО ". Кнопка Удалить воздух из камеры, нажав на кнопку" Bleed "и получить подложек.
    2. Очистка подложек роста от мокрого химического метода
      1. Погружают субстратов в ацетоне роста, содержащиеся в химическом стакане. Стакан помещают в ультразвукового дезинтегратора и разрушать ультразвуком в течение 2 мин при максимальной мощности.
      2. Удалить подложек из стакана и промыть их с потоком абсолютного спирта от промывки бутылки в течение 30 сек.
      3. Сушат субстратов в потоке газообразного азота.
  3. Субстрат погрузка и система осаждения насосная
    1. Установите регулятор температуры подложки в сборе на держатель подложки.
    2. Использование пружинных зажимов для крепления подложки роста в верхней части Пельтье / нагревательного узла.
    3. Установить в полностью собранном держателе подложки в камеру осаждения из паровой фазы, с которыми сталкиваются субстратов источники осаждения. Подключите электрических контактов наПельтье / монтаж нагревателя.
    4. Закрыть затвор подложки, чтобы избежать непреднамеренного осаждения на подложку.
    5. Начните откачки камеры осаждения. Насосная делается путем нажатия кнопки "Пуск" PC Перекачивание на интерфейсе программного обеспечения управления, которая автоматически запускает последовательность, накачать камеру до базового давления.

2. Рост висмута Нанопроволоки

Примечание: В эксперименте не движется к следующему шагу, пока базовая давление в камере осаждения не достигнет 2 × 10 -6 Па или ниже.

  1. Отложение подслоем ванадия
    Примечание: Лучший экспериментальный воспроизводимость достигается, когда ванадий подслой наносили методом магнетронного распыления. При отсутствии источника распыления, высокая воспроизводимость может быть достигнута еще осаждением ванадия подслой с использованием метода теплового испарени, при условии, что система осаждения гаса низкой базы давления (≤ 5 × 10 -7 Торр). Обратитесь к шагу 3.1.2 для подробной информации.
    1. Осаждение ванадия с источником магнетронного распыления.
      1. Начало потоком аргона в распыления источника. Установите расход до 40 кубических сантиметров в минуту.
      2. Отрегулируйте скорость вращения турбомолекулярного насоса для давления в камере 2,5 мторр.
      3. В то время как камера постепенно достигая стационарного состояния давление, установить толщину калибровочные коэффициенты к QCM. Для ванадия, плотность 5.96 г / см 3, а Z-фактор 0,530.
      4. Включите источника постоянного тока распыления и установить власть на 200-250 Вт для системы осаждения управляется авторов, скорость осаждения составляет около 0,4 А / сек при этой власти. Без открытия затвора подложки, держите источник работает в течение 2 мин.
        ПРИМЕЧАНИЕ: С помощью этого шага родной оксида на источник ванадия удаляют, обнажая свежую поверхность ванадия.
      5. Откройте затвор подложки, чтобы начать ванадия Depositioп. В то же время, сбросить суммарное толщину QCM нулю.
      6. Продолжить осаждения до тех пор, очевидно, толщина 20 нм не накапливается, за МККМ чтения. Закрыть затвор субстрата.
      7. Постепенно уменьшить мощность распылением до нуля. Выключите источник.
      8. Перекройте поток аргона. Верните турбомолекулярным насос на его полную мощность.
    2. (Необязательно, для системы осаждения, не оснащенном распыления источника) осаждения ванадия с теплового источника испарения.
      1. В связи с высокой температурой плавления ванадия (1,910 ° С) и его готовность к окислению, рекомендуется, чтобы его термическое испарение быть проведена при базовом давлении 5 × 10 -7 торр или ниже.
      2. Установить толщину калибровочные коэффициенты к QCM. Для ванадия, плотность 5.96 г / см 3, а Z-фактор 0,530.
      3. Включите теплоснабжения испарения питания к источнику ванадия.Медленно увеличивайте мощность нагрева в вольфрамовой лодочке до ванадия слизняки не растают.
      4. С затвора подложки держать закрытыми, медленно увеличить мощность нагрева до скорости осаждения 2 Å / сек достигается, за МККМ чтения. Откройте затвор подложки, чтобы начать ванадия осаждение. В то же время, сбросить суммарное толщину QCM нулю.
      5. Продолжить осаждения до тех пор, очевидно, толщина 50 нм не накапливается. Закрыть затвор субстрата.
      6. Постепенно уменьшить мощность теплового испарени нулю. Выключите источник.
  2. Отложение висмута нанопроводов
    1. Для осаждения висмута при температуре выше или ниже комнатной температуры, установите нужное значение в контроллер температуры. Подождите, пока желаемая температура не будет достигнута.
    2. Установить толщину калибровочные коэффициенты к QCM. Для висмута, плотность 9,78 г / см 3, а Z-фактор 0,790.
    3. Включите тепловой мощности испарения суpply к источнику висмута. Медленно увеличивайте мощность нагрева в вольфрамовой лодочке до скорости осаждения 2 Å / сек достигается, за МККМ чтения.
    4. Откройте затвор подложки, чтобы начать осаждения висмута. В то же время, сбросить суммарное толщину QCM нулю.
    5. Продолжить осаждения до тех пор, очевидно, толщина 50 нм не накапливается. Закрыть затвор субстрата.
    6. Постепенно уменьшить мощность теплового испарени нулю. Выключите источник.
    7. Отключите электропитание на тепловой электростанции кулера / обогреватель.
    8. Удалить воздух из камеры осаждения в атмосферном давлении и открыть камеру. Получить держатель подложки и собирать нанопроводов висмута, покрытые субстраты.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Поперечные СЭМ изображения ванадия подслоев, образованных методом магнетронного распыления и методов термического испарения представлены на рис 2. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) изображения представлены для висмута нанопроводов, образующихся при различных температурах подложки (рис 3). Кристаллическая структура висмута нанопроводов определяется через просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), селективный площадь дифракции электронов (Саид), и рентгеновской...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Рост висмута нанопроводов должно быть проведено в физической системе осаждения из паровой фазы, по меньшей мере двух источников осаждения, по одному для висмута, а другой для ванадия. Рекомендуется, чтобы один из источников магнетрон источником распыление, для осаждения ванадия. Высокий вакуум достигается турбомолекулярного насосов при поддержке сухой прокрутки насоса. Система осаждения из паровой фазы снабжен откалиброван кристалла кварца (QCM) для контроля толщины в точке. Система осаждения из паровой фазы им...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Исследование проводится в Центре функциональных наноматериалов Брукхейвенской национальной лаборатории, который поддерживается Министерством энергетики США, Управлением фундаментальных энергетических наук, по контракту No. DE-SC0012704.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ВисмутСигма-Олдрич556130гранулированный, 99.999%
ванадий СлагАльфа Аэсар428293.175  мм (0,125  дюймы) диаметр х 6,35  мм (0.25  дюйм) длина, 99,8%
ванадий Мишень для распыленияKurt J. LeskerEJTVXXX253A23,00 дюйма Диаметр x 0,125 дюйма Толщина, 99,5%
АцетонSigma-Aldrich179124>99,5%
ЭтанолАльфа Аэсар33361Безводная
кремниевая пластинаУниверситеттолщиной 300 микрон, (100) ориентация
Серебряная эпоксидная смолаCircuit WorksCW2400Двухкомпонентная проводящая эпоксидная смола
Вольфрамовая лодка, покрытая оксидом алюминияR. D.Mathis S9B-AO-WДля термического испарения висмута
Вольфрамовая лодкаR. D. MathisS4-.015WДля термического испарения ванадия
RIE PlasmaNordson MarchCS-1701
PVD 75 Платформа для осаждения из газовой фазыKurt J. LeskerPEDP75FTCLT001Оснащен тремя источниками термического испарения и одним источником магнетронного напыления постоянного тока
Термоэлектрический регулятор температурыLairdTechMTTC-1410
PT1000 RGDLairdTech340912-01Датчик температуры для термоэлектрического модуля MTTC-1410
LairdTech56910-502
УльтразвуковойCrest UltrasonicsТру-Свип 175
аппарат

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи