化学溶液法によるシリコン上のマクロポーラスエピタキシャル石英薄膜の作製

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

α-水晶のような圧電材料は電圧バイアスに提出された場合には、機​​械的な変形を受けます。この材料は多孔質である場合、これらの体積変化は、生体細胞小器官を生きている中で観察することができるものと同様の応答システムを作成し、気孔膨張または収縮につながることができます^。1変形可能な多孔質のα石英は微細加工^{、2を使用して製造}されているが、このような技術はまだできません3次元細孔構造を生成し、かつ細孔直径が数百ナノメートルのオーダーです。構造化アモルファスシリカの結晶化は、高い表面エネルギーと粗大化と溶融に起因する建築変形による不均一核生成によって妨げられてきました。シリカのすべての形態が非常に安定したSiO ₄四面体のネットワーク上に構築されているので、アモルファスシリカ、α石英や他のSiO ₂の多形の形成の自由エネルギーは、広い温度範囲でほぼ等しく、メイキン困難非晶質シリカゲルの結晶からの単一の多形体としてα石英を生成するためにG ³構造の非晶質シリカの制御された結晶は、石英は比較的遅い核形成速度が、非常に速い成長速度を示すことである難しくなる他の態様、 10から94ナノメートル/秒の間で報告された。急速な成長と相まって^4,5遅い核形成は、このように、元の形態が失われ、元のナノポーラス構造よりもはるかに大きい結晶を生成する傾向があります。例えばNa ⁺及びLi ⁺などのアルカリ金属は、しばしば水熱処理と組み合わせて、α石英を結晶化するために使用されている^。5,6も、チタン⁴⁺ / ^の Ca 2+の組み合わせはにシリカの球状粒子を結晶化するために使用されましたシリコンアルコキシドを用いたソフト化学経路による石英^{。7しかし、}石英に構造化されたアモルファスシリカ膜の制御された結晶化が課題に残りました。

<p class=最近では、ストロンチウムは、周囲圧力および比較的低い温度の下での結晶のSiO ₂の核生成と成長を触媒することが見出されている^。8,9エピタキシー」jove_content ">は、α石英、および<100>シリコン基板との良好な不整合から生じます配向圧電薄膜を製造します。蒸発によって誘導される自己組織化メソポーラスシリカフィルムを生成するためには、1999年^10は 、この技術が研究されており、可変サイズと中間相の気孔を生成するために、様々な条件下でのテンプレート剤の多くに適用使用されています。これは、メソ細孔サイズのsubnanometric変化が細孔構造にこの大規模な注意を検証する、多孔システム^{11を介して}溶質拡散に対する劇的な効果を有し得ることが見出されました。また、内部のシリカ孔系へのアクセスは、テンプレートのミセル相を制御することによって得ることができる^。12

ここで、合成ルートT帽子は、新規相分離が実証されている使用して非晶質シリカ層の厚さと細孔サイズを超える空前の制御を可能にする^。13これらのフィルムは、周囲圧力で空気中1000℃でのSr（II）塩、結晶化するために、α-石英を浸透させています。この結晶化プロセスを使用して保持できる細孔サイズが決定され、壁の厚さと膜厚の効果が検討されています。最後に、圧電性および細孔系の変形が検討されています。

Protocol

ゾルの​​調製ラボバランスおよび磁気攪拌子を配置したヒュームフード中のゲルフィルムを調製する前に予め加水分解テトラエチルオルトシリケート（TEOS）日の溶液を調製します。このステップでは、プロトコルを通じてラボのコート、手袋、安全メガネを着用してください。 テフロンコーティングされた磁気撹拌棒がCTABの1.68グラムの重量を量る含む50ミリリットルのビー?…

Representative Results

材料合成の進行は、異なる側面を監視することによって制御しました。ディップコーティングプロセスの後にいずれかのフィルムの側面、緑色レーザおよび走査電子顕微鏡（SEM）後方散乱電子モード（ 図1A-B）の画像の反射点における回折構造の最終的な外観を観察することができます。結晶化工程の後に、原子間力顕微鏡（AFM）トポグラフィ画像（ <stro…

Discussion

提示された方法は、Si上のマクロポーラス石英フィルムを製造するためのボトムアップ・アプローチです。石英膜の製造の標準的な方法、切断および大水熱成長した結晶の研磨に基づいて、トップダウン技術と比較して、プロトコールに記載された方法を用いて制御することができる150と450nmの間の厚さを有する非常に薄いフィルムを得ることができ離脱率。石英膜の厚さ、及び圧電応答の制…

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