Préparation de macroporeuses Épitaxial Quartz Films de silicium par dépôt chimique Solution

Summary

A protocol is presented for the preparation of piezoelectric macroporous epitaxial films of quartz on silicon by solution chemistry using dip-coating and thermal treatments in air.

Abstract

This work describes the detailed protocol for preparing piezoelectric macroporous epitaxial quartz films on silicon(100) substrates. This is a three-step process based on the preparation of a sol in a one-pot synthesis which is followed by the deposition of a gel film on Si(100) substrates by evaporation induced self-assembly using the dip-coating technique and ends with a thermal treatment of the material to induce the gel crystallization and the growth of the quartz film. The formation of a silica gel is based on the reaction of a tetraethyl orthosilicate and water, catalyzed by HCl, in ethanol. However, the solution contains two additional components that are essential for preparing mesoporous epitaxial quartz films from these silica gels dip-coated on Si. Alkaline earth ions, like Sr²⁺ act as glass melting agents that facilitate the crystallization of silica and in combination with cetyl trimethylammonium bromide (CTAB) amphiphilic template form a phase separation responsible of the macroporosity of the films. The good matching between the quartz and silicon cell parameters is also essential in the stabilization of quartz over other SiO₂ polymorphs and is at the origin of the epitaxial growth.

Introduction

Quand un matériau piézoélectrique comme α-quartz est soumis à une tension de polarisation il subit une déformation mécanique. Si ce matériau est poreux, ces changements de volume peuvent conduire à l'expansion des pores ou de contraction, la création d'un système sensible similaire à ce qui peut être observé à vivre organites biologiques. ¹ déformable poreuse α-quartz a été produite en utilisant la microfabrication, ^{2, mais} ces techniques ne peuvent pas encore produire des structures de pores 3-D, et des diamètres de pores sont de l'ordre de plusieurs centaines de nanomètres. La cristallisation de la silice amorphe structuré a été entravée par la nucléation inhomogène causée par les énergies de surface élevées et la déformation architecturale due à grossissement et la fusion. De plus, comme toutes les formes de silice sont construits sur des réseaux SiO ₄ tétraédriques extrêmement stables, les énergies libres de formation de la silice amorphe, du quartz α-SiO ₂ et d'autres formes polymorphes sont à peu près égales dans une gamme étendue des températures, Making, il est difficile de produire des α-quartz comme une seule polymorphe de la cristallisation d'un gel de silice amorphe. ³ Un autre aspect qui rend plus difficile la cristallisation contrôlée de silice amorphe structurée est que le quartz présente une vitesse de nucléation relativement lente, mais un taux de croissance extrêmement rapide, rapporté entre 10-94 nm / s. ^4,5 nucléation lente couplée à la croissance rapide tend à générer des cristaux beaucoup plus grande que la structure nanoporeuse original, donc la morphologie d'origine est perdue. Les métaux alcalins, tels que Na ⁺ et ^Li +, ont été utilisés pour cristalliser α-quartz, souvent en combinaison avec un traitement hydrothermique. ^5,6 En outre, un ^Ti4 + / Ca ²⁺ combinaison a été utilisée pour cristalliser des particules sphériques de silice dans quartz par un circuit de chimie douce en utilisant alcoxydes de silicium. ⁷ Toutefois, la cristallisation contrôlée d'un film de silice amorphe structurée en quartz reste un défi.

<p class="jove_content"> Récemment, strontium a été trouvé pour catalyser la nucléation et la croissance de SiO ₂ cristallisé sous la pression ambiante et des températures relativement basses. ^8,9 épitaxie, provient de la non-concordance favorable entre α-quartz et le substrat> de silicium <100, produire des films minces piézoélectriques orientés. Induite par évaporation-auto-assemblage pour produire des films de silice mésoporeuse a été utilisé depuis 1999. ¹⁰ Cette technique a été étudié et appliqué à une multitude d'agents servant de modèle dans diverses conditions pour produire des pores de tailles et de mésophases variables. Il a été constaté que les changements dans la taille de subnanométriques mésopore peuvent avoir un effet dramatique sur la diffusion de soluté à travers des systèmes poreux ^11, validant cette grande attention à la structure de pore. De plus, l'accessibilité au réseau de pore interne de silice peut être obtenue en commandant la phase micellaire de la matrice ^12.

Ici, la voie de synthèse tchapeau permet un contrôle sans précédent sur ​​la taille de l'épaisseur et des pores de couches de silice amorphe en utilisant une nouvelle séparation de phase est mise en évidence. ¹³ Ces films sont infiltrés avec des sels de Sr (II) et cristallisé à l'a-quartz à 1000 ° C sous air à la pression ambiante. La taille de pores capable de retenir à l'aide de ce processus de cristallisation est déterminée, et l'effet de l'épaisseur de paroi et l'épaisseur du film est étudiée. Enfin la piézo-électricité et la déformabilité du système de pores sont étudiés.

Protocol

1. Préparation du Sol Préparer une solution d'orthosilicate de tétraéthyle préhydrolysé (TEOS), le jour avant la préparation des films de gel dans une hotte de laboratoire dans lequel une balance de laboratoire et d'un agitateur magnétique sont placés. Dans cette étape et dans le protocole de porter une blouse de laboratoire, des gants et des lunettes de sécurité. Dans un bécher de 50 ml contenant une barre d'agitation magnétique revêtu de Téflon pèse 1,68 g de CTAB, ajou…

Representative Results

Le déroulement de la synthèse matériau a été contrôlée par la surveillance des aspects différents. Après le processus de revêtement par immersion, on peut observer l'aspect des films, l'apparition éventuelle de structures de diffraction dans le spot réfléchie d'un laser vert et de la microscopie électronique à balayage (MEB) des images en mode rétrodiffusion des électrons (figure 1A-B). Après le processus de cristallisation, il est important…

Discussion

La méthode présentée est une approche bottom-up pour produire des films de quartz macroporeuses sur Si. Par rapport à la méthode standard de production de films de quartz, une technologie de haut en bas basé sur la coupe et le polissage de gros cristaux hydrothermique cultivées, la méthode décrite dans le protocole permet d'obtenir des films beaucoup plus minces avec des épaisseurs comprises entre 150 et 450 nm, qui peuvent être contrôlées avec le le taux de retrait. Tous les détails expérimentaux con…

Materials

Dip coater	Nadetech	ND-DC 11/150
Furnace	Nabertherm	R 50/250/12
Atomic Force Microscope	Agilent	5500 LS
Materials and Reagents
Silicon wafers	SHE Europe Ltd.
SrCl2·6H2O	Aldrich	13909
CTAB	Aldrich	H5582
Ethanol Absolute	Aldrich	161086
HCl 35% solution	PanReac	721019
TEOS	Aldrich	131903