תחמוצת אבץ טורי מבנים בצורת מוטות הם מסונתז דרך בתצהיר אדים כימיים בסיוע תרסיס ללא השימוש של חלקיקי הזרז-זרע הפקיד מראש. שיטה זו היא מדרגית ותואמת סובסטרטים שונים על בסיס סיליקון, קוורץ או פולימרים.
בעוד תחמוצת אבץ טורי (ZnO) מבנים בצורת מוטות או חוטים. יש כבר מסונתז בעבר על ידי מסלולים שונים נוזלי או אדי-פאזי, שלהם גבוה עלות הייצור ו/או לאי-תאימות עם טכנולוגיות מיקרו-מלאכותית, עקב השימוש catalyst הפקיד מראש-זרעים ו/או עיבוד גבוהה בטמפרטורה גבוהה מ- 900 ° C, מייצגים חיסרון לשימוש הנרחב של שיטות אלה. כאן, לעומת זאת, אנחנו מדווחים הסינתזה של ZnO מוטות באמצעות מנגנון אדי מוצק מזורז שאינו מופעל באמצעות שיטת התצהיר (CVD) בסיוע תרסיס אדים כימיים ב 400 מעלות צלזיוס עם אבץ כלוריד (ZnCl2) וגם קודמן אתנול כמו מנשא הממס. שיטה זו מספקת היווצרות צעד אחר צעד של מוטות ZnO והן את האפשרות של שילוב ישיר שלהם עם סוגי מצע שונים, כולל סיליקון, פלטפורמות מבוססי סיליקון micromachined, קוורץ או פולימרים עמידים בחום גבוה. זה פוטנציאל מקלה את השימוש בשיטה זו-רחבת היקף, עקב התאימות שלו עם המדינה-of-the-art מיקרו-מלאכותית תהליכים לייצור מכשיר. דוח זה גם מתאר את המאפיינים של מבנים אלה (למשל, מורפולוגיה, הגבישי, הפער הלהקה אופטי, ההרכב הכימי, ההתנגדות החשמלית) והוא מאמת גז קטלני חישה פונקציונליות לכיוון פחמן חד-חמצני.
ZnO הוא II – מוליכים למחצה השישי עם פער רחב ישירה הלהקה (3.37 eV), גדול אקסיטון מחייב אנרגיה (תהליך 60), קיטוב ספונטנית, פיזואלקטריים קבועים שהופכות אותו חומר אטרקטיבי אלקטרוניקה, אלקטרואופטיקה, גנרטורים אנרגיה, photocatalysis הקבלה, חישה כימית. רוב פונקציות מעניינות של ZnO קשורים שלה מבנה גבישי wurtzite, שלה לא קוטביים (למשל, {100}, {110}) והם קוטבי (למשל, {001}, {111}) משטחים משוייך ספציפי צורות מורפולוגיות מובנית (למשל , מוטות, פירמידות, לוחות). השליטה של צורות מורפולוגיות אלה דורש שיטות סינתטי מסוגל לייצר גבישים מוגדרים היטב, עם גודל אחיד, צורה, מבנה השטח1,2,3,4. זה ההקשר, תוסף חדש (סינתזה מלמטה למעלה) ייצור אסטרטגיות, מבוסס בעיקר על אדי-שלב מסלולים יפים תעשייתי ומובנית שעשויות להיות יתרון כפי שהם מספקים את היכולת להפיק סרטים רציפה למדי מאשר במצב אצווה עם טוהר גבוהה, תפוקות גבוהות. המסלולים הדגימו היווצרות ZnO מובנה סרטים בעבר, אבל בדרך כלל העסקת זרז-זרעים כגון זהב ו/או עיבוד גבוה טמפרטורות של 900-1300 ° C2 {וואנג, 2008 #491} (זה יכול להיות לא נוח בוודאות ייצור תהליכי בצורך של שלבי עיבוד נוסף ו/או אי-תאימויות טמפרטורה לשילוב בבית-צ’יפס).
לאחרונה, השתמשנו בשיטה אדי-פאזי בהתבסס על תרסיס בסיוע CVD של סימנים מקדימים מתכת-אורגניות או אי-להשגת בתצהיר סלקטיבי של תחמוצת מתכת מבנים (למשל, טונגסטן תחמוצת5או פח תחמוצת6), ללא הצורך של זרז-זרעים בטמפרטורות נמוכות יותר מאלה שדווחו עבור CVD מסורתיים. שיטה זו עובדת בלחץ אטמוספירי יכולים להשתמש פחות נדיף מבשרי בהשוואה ל- CVD מסורתי; מסיסות היא הדרישה קודמן מפתח, כמו הפתרון קודמן מועבר לאזור התגובה ב- טופס7תרסיס. ב- CVD בסיוע תרסיס, קינטיקה התגרענות וצמיחה של חומרים מובנה סרטים רזה מושפעים סינתזה טמפרטורה, ריכוז של תגובתי מינים, אשר משפיעים על הצורה המורפולוגית של הסרט8. לאחרונה, יש למד את התלות מורפולוגיה של ZnO לתנאים שונים באמצעות תרסיס CVD (כולל סימנים מקדימים, טמפרטורות, מנשא ממיסים, קודמן ריכוזים) ואנו נמצאו מסלולים להיווצרות ZnO מובנית עם מוטות, פתיתים-, או הפוך-למטה-קונוס-כמו מורפולוגיות, בין היתר9.
במסמך זה, אנו מציגים את הפרוטוקול עבור CVD בסיוע תרסיס של טורי ZnO מבנים בצורת מוטות שהלחין הרוב {100} משטחים. פרוטוקול זה הוא תואם סובסטרטים שונים כולל סיליקון, פלטפורמות מבוססי סיליקון micromachined, קוורץ או foils פוליאימיד עמידים בחום גבוה. בדו ח זה, אנו מתמקדים הציפוי של פרוסות סיליקון חשופות ופלטפורמות מבוססי סיליקון micromachined מועסק הזיוף של חיישנים גז. CVD בסיוע תרסיס של ZnO בנויות משלושה שלבים עיבוד הכוללים: הכנת מצעים, הגדרת לטמפרטורה התצהיר, ההכנה של הפתרון עבור הדור תרסיס, ותהליך CVD. שלבים אלה מתוארים בפירוט להלן ונוף סכמטית מציג הרכיבים העיקריים של המערכת מוצג באיור 1.
ההליך CVD בסיוע תרסיס מפורט כאן שמוביל היווצרות של מוטות ZnO על אריחים הסיליקון של 10 מ”מ x 10 מ”מ. הליך זה יכול להיות קנה המידה עד מעיל משטחים גדולים יותר; עם זאת, שים לב כי עלייה נפח התאים התגובה ידרוש רק הערכות מחודשת של פרמטרים, כגון קצב הזרימה הספק ונפח של פתרון. עבור תאים התגובה גדול יותר, מומלץ גם לשלוט מעברי הצבע החום במצע, עקב מעברי צבע עדין של פחות מ 10 ° C יכול להיות בעל השפעה חזקה על המורפולוגיה וכתוצאה מכך של הסרט, כפי שמתואר בעבר עבור CVD בסיוע תרסיס של טונגסטן תחמוצת8. כדי לשחזר את התוצאות דיווחו כאן, אנו ממליצים על השימוש atomizer ב קולי עם תדר ההפעלה דומה מזה המתואר הפרוטוקול, בגודל ממוצעת droplet בתרסיס בתורו וכתוצאה מכך המורפולוגיה של הסרט מושפעים פרמטר זה7.
התצהיר סלקטיבי של אחרים ZnO מורפולוגיות, ולא מוטות, גם יכולה להיות מושגת על ידי שינוי קודמן, טמפרטורות התצהיר, או מנשא ממיסים. למשל, השימוש של סימנים מקדימים כגון diethyl אבץ14 או אבץ אצטט15 הוכיחה להוביל להיווצרותם של אחרים צורות מורפולוגיות ולא מוטות משושה. יש לנו גם לב כי השימוש של טמפרטורות לעדות שונות במהלך CVD בסיוע תרסיס מייצרת שינויים המורפולוגיה של הסרטים, ומאפשרת היווצרות של סרטים polycrystalline בטמפרטורה שמתחת 400 ° C, עבה משושה מבנים ב בטמפרטורה גבוהה מ- 400 מעלות צלזיוס, או מפורק ומבני פחות צפוף על המצע כשמגיעים 600 מעלות צלזיוס. בדומה לכך, השימוש בממיסים שונים משפיע על המורפולוגיה של הסרטים, למשל, הוכחנו לאחרונה כי השימוש במתנול בטמפרטורה התצהיר של 400 מעלות צלזיוס מעודד היווצרות מבנים עם מורפולוגיה כמו פתית, ואילו השימוש של אצטון בטמפרטורה אותו מעודד היווצרות מבנים דמויי חרוט הפוך9.
היה התפקיד של ממיסים הטמפרטורה, המוביל גם לב בעבר על CVD בסיוע תרסיס של מבנים תחמוצות מתכת אחרים (למשל, טונגסטן תחמוצת5 , פח תחמוצת6), בדרך כלל הוא יוחס: ההשפעות הכימיות נגרמת על ידי intermediates הממוגן, אשר הופכים מינים פעילים עבור התצהיר או מגיבים homogeneously בצורת חלקיקים מוצקים בטמפרטורות עיבוד (זה יותר סביר עבור ממיסים כגון מתנול, אצטון, אשר יכול לפרק בטמפרטורות נמוכות למשל, < 500 ° C); אפנון של שיעור של התצהיר (השטף) ו- droplet אידוי (זה סביר יותר דומיננטי עבור ממיסים כמו אתנול, אשר לא עושים בצורת תגובתי מינים קיצוניים בטמפרטורות שימוש בניסויים שלנו).
פרוטוקול דיווח על תואם תהליכים מיקרו-המדינה-of-the-art מלאכותית עבור מכשירים אלקטרוניים מבוססי סיליקון ויש לו פוטנציאל להיות שולבו תהליכים מעורבים חומרים גמישים עמידים בחום גבוה עקב נמוך יחסית טמפרטורות CVD בסיוע תרסיס של מבנים. עם זאת, חשוב להזכיר כי השימוש של צל מסכות צמיחה סלקטיבית של מבנים, כגון שיטות הזריעה בהתבסס על אדי-נוזל נוזל מוצק מנגנון ה-16, ייתכן אילוצים מסוימים תהליכי ייצור. מצד שני, האפשרות לצמוח המבנים באמצעות השיטה שאינם מזורז המובאת כאן אולי יש את היתרון של פחות ליטוגרפית והשלבים metallization לשילוב, שבב של מבנים. בנוסף, הטמפרטורות נמוכות יחסית לסינתזה של מוטות ZnO עשויים גם כן לאפשר השימוש בשיטה זו עם חימום מקומי, טכניקה המועסקים להגבלת הסביבה התרמי הנדרשת עבור שניהם פירוק של אדי-שלב שני המגיבים ו קינטיקה גידול של מבנים לאזור microscale, להפחית באופן משמעותי את צריכת החשמל של כורים בטמפרטורה גבוהה (חם-קיר)17. השימוש של חימום מקומי, למשל, הוכח ריאלי קודם לכן עבור שאינם מזורז בסיוע תרסיס CVD. מוטות טונגסטן תחמוצת18. הצמיחה של טורי המבנים ZnO עם מורפולוגיה מבוקרת, לאפשר את השתלבותם קל סובסטרט שונים ותהליכים מיקרו-מלאכותית, הוא עניין משותף בתחומים כגון photocatalysis הקבלה חישה, כימי, פוטוניקה ואנרגיה קציר, בין השאר.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו בתמיכתם בחלקו ספרדית משרד המדע וחדשנות דרך גרנט TEC2015-74329-JIN-(AEI/FEDER,EU), TEC2016-79898-C6-1-R (AEI/פדר, האיחוד האירופי), ו- TEC-2013-48147-C6-6R (AEI/פדר, האיחוד האירופי). SV מאשר את התמיכה של התכנית השנייה SoMoPro, co-financed על-ידי האיחוד האירופי והאזור מדרום מורביה, באמצעות מענק 4SGA8678. JČ מכיר את המימון הניתנים על ידי MEYS, פרויקט מס LQ1601 (CEITEC 2020). חלק מהמחקר הזה עשה שימוש התשתיות המרכז לחקר שש, השרותים הליבה של CEITEC תחת CEITEC-פתח פרוייקט access באמצעות מענק LM2011020 ממומן על ידי משרד החינוך, נוער וספורט של הרפובליקה הצ’כית, את ICTS ספרדית רשת MICRONANOFABS נתמכת באופן חלקי על-ידי MINECO.
ZnCl2 99,999 % trace metal basis | Sigma-Aldrich | 229997 | used as purchased from manufacturer |
Ethanol ≥96% | Penta | 71430 | used as purchased from manufacturer |
Reaction cell | home-made | stainless steel cylindrical reaction cell (7000 mm3, diameter: 30 mm, height: 10 mm) with integrated heaters to reach the temperature of deposition and provided with a PID controller | |
Ultrasonic liquid atomizer | Johnson Matthey | Operating frequency ∼1,6 MHz | |
Flowmeter | To have a better control of this step the use of a mass flow controller is recommended. | ||
Nitrogen | Linde Gas A.S. | ||
Silicon wafers | MicroChemicals | <100>, p-type, 525 µm thick, cut into pieces (10 mm × 10 mm ) | |
Glass vial – 100 ml | 29/32 joint, 200 mm lenght | ||
Vacuum trap | 29/32 joint, 5 mm hose barbs | ||
Graduated cylinder – 10 ml | |||
Universal support | |||
Balance | |||
Scanning Electron Microscopy (SEM) | Tescan | Mira II LMU | |
X-ray diffraction (XRD) | Rigaku | Smart Lab 3kW | Cu Kα radiation |
X-ray Photoelectron spectroscopy (XPS) | Kratos | AXIS Supra | Monochromatic Kα radiatio, 300 W emission power, magnetic lens, and charge compensation |
Transmission Electron Microscopy (TEM) | Jeol | JEM 2100F | operated at 200kV using Schottky cathode and equiped with EDX |