Framställning av Makroporösa epitaxiella kvarts filmer Silicon av Chemical Solution Deposition

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

När ett piezoelektriskt material som α-kvarts utsätts för en förspänning den undergår en mekanisk deformation. Om detta material är poröst, kan dessa volymförändringar leder till porer expansion eller kontraktion, vilket skapar ett svarssystem som liknar vad som kan observeras i levande biologiska organ. ¹ deformerbara porös α-kvarts har producerats med hjälp av mikro, ² men sådana tekniker kan ännu inte producera 3-D porstrukturer och pordiametrar är i storleksordningen hundratals nanometer. Kristallisation av strukturerade amorf kiseldioxid har hindrats av inhomogen kärnbildning som orsakas av höga ytenergier och arkitektoniska deformation på grund av förgrovning och smältning. Eftersom alla former av kiseldioxid är byggd på extremt stabila SiO ₄ tetraedriska nätverk, de fria energierna för bildning av amorf kiseldioxid, α-kvarts och andra SiO ₂ polymorfer är nästan lika i ett brett temperaturintervall, Making svårt att producera α-kvarts som en enda polymorf från kristallisationen av en amorf silikagel. ³ En annan aspekt som gör hårdare den kontrollerade kristallisation av strukturerad amorf kiseldioxid är att kvarts uppvisar en relativt långsam kärnbildningshastighet men en extremt snabb tillväxthastighet, rapporterade mellan 10-94 nm / s. ^4,5 Långsam kärnbildning i kombination med snabb tillväxt tenderar att alstra kristaller mycket större än den ursprungliga nanoporösa strukturen, sålunda den ursprungliga morfologin är förlorad. Alkalimetaller, såsom Na ^{+ och Li} *, har använts för att kristallisera α-kvarts, ofta i kombination med hydrotermisk behandling. ^5,6 Också en Ti ⁴⁺ / ^Ca2 + kombination användes för att kristallisera sfäriska partiklar av kiseldioxid i kvarts med en mjuk kemi rutt med kisel alcoxides. ⁷ Men kontrollerad kristallisation av en strukturerad amorf kiseldioxid filmen i kvarts förblev en utmaning.

<p class="jove_content"> Nyligen strontium har visat sig katalysera kärnbildning och tillväxt av kristallin SiO _{2 under} omgivningens tryck och relativt låga temperaturer. ^8,9 Epitaxy uppstår från det gynnsamma obalans mellan α-kvarts och <100> kiselsubstrat, producerar orienterade piezoelektriska tunna filmer. Avdunstning-inducerad självmontering för att producera mesoporösa kiseldioxid filmer har använts sedan 1999. ¹⁰ Denna teknik har studerats och appliceras på en mängd schablonmedel under olika förhållanden för att producera porer varierande storlekar och mesofaser. Det har visat sig att subnanometric förändringar i mesopor storlek kan ha en dramatisk effekt på lösta ämnen diffusion genom porösa system ^11, validera denna omfattande uppmärksamhet pore struktur. Dessutom kan tillgängligheten till det interna kiseldioxiden porsystemet erhållas genom styrning micellfasen av mallen. ¹²

Här, syntesvägen thatt ger oöverträffad kontroll över tjockleken och porstorleken av amorfa kisellager med hjälp av en ny separationsfasen demonstreras. ¹³ Dessa filmer är infiltrerade med Sr (II) salter och kristalliserade till a-kvarts vid 1000 ° C under luft vid omgivningstryck. Porstorleken fasthållbar använda denna kristallisationsprocess bestäms, och studerade effekten av väggtjocklek och skikttjocklek. Slutligen piezoelektricitet och deformerbarhet porsystemet studeras.

Protocol

1. Framställning av Sol Bered en lösning av förhydrolyserad tetraetylortosilikat (TEOS) dagen före framställningen av gelfilmer i ett dragskåp i vilken ett labb balans och en magnetisk omrörare placeras. I det här steget och hela protokollet bära en labbrock, handskar och skyddsglasögon. I en 50 ml bägare innehållande en teflonbelagd magnetomrörare väger 1,68 g CTAB, tillsätt 48,13 ml etanol och 3,00 ml HCl 35%, täck över bägaren med ett urglas och rör tills CTAB är fullständigt …

Representative Results

Framskridandet av materialsyntes reglerades genom att övervaka olika aspekter. Efter doppbeläggningsprocessen kan man observera den del av filmerna, den slutliga utseende diffraktionsstrukturer i den reflekterade plats i en grön laser och Svepelektronmikroskopi (SEM) bilder i backscattered elektroner läget (Figur 1A-B). Efter kristallisationsprocessen är det viktigt att registrera atomkraftsmikroskopi (AFM) topografiska bilder (figur 1C) och en polf…

Discussion

Denna metod är en bottom-up-strategi att producera makroporösa kvarts filmer på Si. Jämfört med standardmetod för produktion av kvarts filmer, en top down teknik som bygger på att skära och polering av stora hydrotermalt odlade kristaller, den metod som beskrivs i protokollet medger få mycket tunnare filmer med tjocklekar mellan 150 och 450 nm som kan styras med tillbakadragningshastigheten. Alla experimentella detaljer om övervakning av kvarts filmer tjocklek, och piezoelektriska svar redovisas i referenserna…

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