Summary
Это исследование представляет собой осуществимую процедуру для синтеза золотых дендритных нанолесов на титановых нитезды/кремниевых субстратов. Толщину золотых дендритных нанолесов увеличивается линейно в течение 15 минут реакции синтеза.
Abstract
В этом исследовании, высокой мощности импульс магнетрон напыления система используется для покрытия плоской и твердой титана нитрида (олово) пленка на кремниевых (Si) пластин, и фторид с помощью гальванической заместительной реакции (фаграр) используется для быстрого и легкого осаждения золота Дендритные нанолеса (Au НФС) на субстратах TiN/Si. Сканирующая электронная микроскопия (РЭМ) изображения и энергия-диспергирующая рентгеновская спектроскопия образцов олова/Si и Au-НФС/Тин/Си подтверждают, что процесс синтеза точно контролируется. В условиях реакции в данном исследовании толщина Au-Онфов линейно возрастает до 5,10 ± 0,20 мкм в течение 15 минут после реакции. Таким образом, используемые процедуры синтеза является простой и быстрый подход для подготовки Au НФС/Тин/Si композитов.
Introduction
Наночастицы золота имеют характерные оптические свойства и локализованные резонансы поверхностных плазмон (lsprs), в зависимости от размера и формы наночастиц1,2,3,4. Кроме того, наночастицы золота могут значительно усилить плазмомические фотокаталитические реакции5. Дендритных нанолесов сложены с использованием наночастиц золота получили значительное внимание из-за их отметить конкретные участки поверхности и надежные lspr повышение6,7,8,9 ,10,11,12,13.
TiN очень твердый керамический материал и имеет замечательное термально, химически, и механически стабилность. Tin имеет отличительные оптические свойства и может быть использован для плазмомических применений с видимым к почти инфракрасным светом14,15. Исследования показали, что TiN может производить усовершенствования электромагнитного поля, похожие на наноструктуры Au16. Было продемонстрировано осаждение меди17 илисеребра 18,19,20 на оловянные субстраты для применения. Тем не менее, несколько исследований были проведены на Au/TiN композитных материалов для приложений. Shiao et al. в последнее время продемонстрировали потенциальные применения Au НФС/TiN композитов для фотоэлектрохимических клеток21 и химической деградации22.
Au может быть синтезирован на подложке олова с помощью ФАГРАР23. Условие осаждения Au НФС на олове имеет решающее значение в выполнении приложений. Это исследование исследует рост Au НФС на олова покрытием Si подложки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Подготовка образца
-
Оловянный субстрат с использованием высокосиловой импульсной системы напыления магнетрона
- Вырезать 4 дюйма n-типа пластины кремния в 2 см х 2 см образцов.
- Вымойте образцы с помощью ацетона, изопропанола и обожинизированной воды.
- Высушите их с помощью N2 спрей для 5 мин.
- Поместите вымытые образцы Si в держатель образца и поместите держатель образца в камеру высокой мощности импульсного магнеттрона (Гипмс).
- Поместите титановую мишень диаметром 4 дюйма при распылении катода.
- Уменьшите давление камеры до менее чем 8 x 10-6 torr, используя механический насос и криоумз.
- Используйте Гипмс, чтобы внести слой TI на кремниевую пластину и депонировать слой олова на слое Ti. См. таблицу 1 для параметров осаждения Ti и Tin слоев в гипмсм.
-
Au НФФ Подготовка на оловянных/Si субстратах
- Поместите 24 мл раствора реагента в составе 10 мм хлорауриновой кислоты (HAuCl4) и буферного раствора оксида, состоящего из 11,4% н4F и 2,3% кв в тефлоновой контейнер размером 5 см х 5 см х 5 см.
- Окуните субстраты в раствор смеси на 3 мин.
- Удалите образец и промойте его с помощью обожионизированной воды.
- Высушите образец с помощью спрея N2 , а затем Инкубируйте его при температуре 120 °c в течение 5 минут для получения образцов Au/Tin/Si.
- Повторите подготовку Au ННФ 10x.
2. выборочное обследование
-
Анализы электронной микроскопии сканирования
- Вырезать образец в 0,4 см х 0,8 см с пером вольфрама, и очистить его с помощью N2 спрей.
- Пальто тонкий PT пленка на образце ионный спинополит coатер для 50 s.
- Поместите подготовленный образец в инструмент сканирования электронной микроскопии (РЭМ).
- Получить сем изображения по сканированию электронного микроскопа и проведения анализа элементов21,22.
-
Анализы дифракции рентгеновских лучей
- Поместите образец в рентгеновскую дифракцию (XRD) прибор.
- Получить XRD моделей21,22.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
На рисунке 1 изображены изображения подготовки образцов Au НФС/Тин/Си. Силиконовая пластина была серебристо-белая (рис. 1a). Олово/Si был золотисто-желтым и имел однородную поверхность (рис. 1b), который указывал на равномерное покрытие олова на кремниевой пластине. Au НФС/Тин/Si был желтовато-коричневый и менее однородный на поверхности (рис. 1С) из-за случайного распределения Au НФС.
Рисунок 2 представляет план и кросс-секционные Рэм образы Au НФС, депонированные на Tin/Si субстратов. Слой олова имел единую поверхность (Рисунок 2a), а толщина слоя олова составляла приблизительно 300 Нм (Рисунок 2a). На 1 мин, небольшие ядра Au наблюдались повсюду (Рисунок 2c), некоторые из которых превратились в большое ядро, похожее на морского ежа (рис. 2C). Одно дерево-как структура была сформирована в 3 мин (рис. 2e, f), и эти разветвления наблюдались перекрытия на 5 мин (Рисунок 2e, h). В 10 мин, Au НФС формируется и охватывает весь слой олова (рис. 2i, j). В 15 мин образовались плотные Au-Нофы (рис. 2k), а толщина ДПС достигла 5 мкм (Рисунок 2k).
На рисунке 3 показана энергия-Диспергическая рентгеновская спектроскопия (ред) результаты анализа олова/Si и Au Днфс/Тин/Si. Указанные элементы согласованы с процедурой синтеза. Кроме того, очевидные пики могут подтвердить, что покрытие олова и синтез Au Днфс не были загрязнены.
Рисунок 4 иллюстрирует вариацию толщины Au НФС на субстрате Tin/Si с временем FAGRR. Толщина Au НФС линейно увеличилась с синтезом времени. Линейное уравнение по толщине и синтезу времени, которое варьировалось от 1 до 15 мин, было выражено следующим образом: y = 0,296t + 0,649.
На рисунке 5 показаны модели XRD образцов, полученных в разное время осаждения. Выявлена сильная (111) ориентация пиков АС. Острые кубические модели Au, AU (111), AU (200), AU (220) и Au (311), согласованы с JCPDS 04-0784. Увеличение пиков Au с временем осаждения соответствовало росту Au-НФС на субстрате TiN/Si. С другой стороны, олово пиков, а именно олова (111), олова (200), олова (220), и олова (311), были очевидны на 1 мин осаждения, соглашаясь с JCPDS 38-1420. После 1 мин, сигналы олова постепенно исчезли, потому олова/Si субстрат постепенно покрывается Au НФС. Результаты этих XRD соответствовали предыдущим отчетам21,22.
| Субстрат | Мощность постоянного тока W |
Длительность импульса (МКС) | Скорость потока AR (SCCM) | Скорость потока N2 (SCCM) |
| Ти слой | 250 | 90 | 20 | - |
| Слой олова | 300 | 1000 | 30 | 1,5 |
Таблица 1: условия подготовки Ti и Tin. Параметры Гипмс для осаждения Ti и TiN слоев на кремниевой пластине.
Рисунок 1: образец внешнего вида. Подготовка образца 2 см х 2 см (a) кремниевой пластины, (b) олова/Si, и (c) AU ДНФ/Тин/Si. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.
Рисунок 2: Рэм фотографии образцов. МДж накладных и попересечения виды Au НФС на хранение олова/Si субстратов на (а и б) 0 мин; (c и d) 1 мин; (e и f) 3 мин; (g и h) 5 мин; (i и j) 10 мин; (k и l) 15 мин. пожалуйста, нажмите здесь для просмотра более крупной версии этой фигуры.
Рисунок 3: элементарный анализ. ЭЦП спектра (а) олова/Si и (b) AU Днфс/Тин/Si. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.
Рис. 4: толщина Au ДНФ. Толщина Au НДФ на олова/Si субстрата на различных временах синтеза (n = 10) пожалуйста щелкните здесь для того чтобы осмотреть более большую версию этой фигуры.
Рисунок 5: модели XRD образцов. Модели XRD Au-НФС на подложке олова/Si в разное время синтеза. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенном варианте этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В этом исследовании, Au Ннфс с несколькими размерами ветвей были украшены на поверхности олова/Si с помощью FAGRR. Осаждение Au НФС может быть непосредственно идентифицировано существенным изменением цвета. Толщина Au ДНФ на олове/Си увеличилась до 5,10 ± 0,20 мкм в течение 15 минут, и это увеличение толщины может быть выражено с использованием следующих линейных уравнений: y = 0,296t + 0,649, где время варьировалось от 1 до 15 мин.
В ФАГРАР, осаждение металла влияет на состав и рН раствора23. Частота осаждения увеличивается с плотностью субстратов дефектов поверхности. Толщина слоя олова уменьшается по мере увеличения времени реакции замены. Легко удалить Au НФС из олова/Si субстратов, если толщина Au Днфс достаточно толстый.
Гальваническая реакция смещения более благоприятна для металла с более высоким потенциалом редокс23. В данном исследовании предлагаемый поверхностным и быстрым электроменьшим осаждением процесс обеспечивает осуществимый подход для подготовки Au/Tin/Si композитов, которые могут быть использованы в качестве видимого света фотокатализаторов21,22. Используя тот же протокол, это также можно изготовить Au НДФ на других субстратов, таких как Тин/СИО2/Si, Тин/стекло, Tin/Ито, и ОЛОВА/FTO, для применения в будущем.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Министерством науки и техники, Тайвань, по контрактам номера наиболее 105-2221-E-492-003-MY2 и большинство 107-2622-E-239-002-CC3.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acetone | Dinhaw Enterprise Co. Ltd.,Taipei, Taiwan | ||
| Isopropanol | Echo Chemical Co. Ltd., Miaoli, Taiwan | TG-078-000000-75NL | |
| Buffered Oxide Etch | Uni-onward Corp., Hsinchu, Taiwan | UR-BOE-1EA | |
| Chloroauric Acid | Alfa Aesar., Heysham, United Kingdom | 36400.03 | |
| N-Type Silicon Wafer | Summit-Tech Company, Hsinchu, Taiwan | ||
| High-Power Impulse Magnetron Sputtering System (HiPIMS) | Melec GmbH, Germany | SPIK2000A | |
| Scanning Electron Microscope (SEM) | JEOL, Japan | JSM-7800F | |
| Ion Sputter Coater | Hitachi, Japan | E-1030 | |
| X-Ray Diffractometer (XRD) | PANalytical, The Netherlands | X'Pert PRO MRD |
References
- Nehl, C. L., Hafner, J. H. Shape-dependent plasmon resonances of gold nanoparticles. Journal of Materials Chemistry. 18 (21), 2415-2419 (2008).
- Auguié, B., Barnes, W. L. Collective resonances in gold nanoparticle arrays. Physical Review Letters. 101 (14), 143902 (2008).
- Sakai, N., Fujiwara, Y., Arai, M., Yu, K., Tatsuma, T. Electrodeposition of gold nanoparticles on ITO: Control of morphology and plasmon resonance-based absorption and scattering. Journal of Electroanalytical Chemistry. 628 (1-2), 7-15 (2009).
- Shiao, M. H., Lai, C. P., Liao, B. H., Lin, Y. S. Effect of photoillumination on gold-nanoparticle-assisted chemical etching of silicon. Journal of Nanomaterials. 2018, 5479605 (2018).
- Ayati, A., et al. Photocatalytic degradation of nitrobenzene by gold nanoparticles decorated polyoxometalate immobilized TiO nanotubes. Separation and Purification Technology. 171, 62-68 (2016).
- Huang, T., Meng, F., Qi, L. Controlled synthesis of dendritic gold nanostructures assisted by supramolecular complexes of surfactant with cyclodextrin. Langmuir. 26 (10), 7582-7589 (2009).
- Lahiri, A., Wen, R., Kuimalee, S., Kobayashi, S. I., Park, H. One-step growth of needle and dendritic gold nanostructures on silicon for surface enhanced Raman scattering. CrystEngComm. 14 (4), 1241-1246 (2012).
- Lahiri, A., Wen, R., Kobayashi, S. I., Wang, P., Fang, Y. Unique and unusual pattern demonstrating the crystal growth through bubble formation. Crystal Growth & Design. 12 (3), 1666-1670 (2012).
- Lahiri, A., et al. Photo-assisted control of gold and silver nanostructures on silicon and its SERRS effect. Journal of Physics D: Applied Physics. 46 (27), 275303 (2013).
- Lv, Z. Y., et al. Facile and controlled electrochemical route to three-dimensional hierarchical dendritic gold nanostructures. Electrochimica Acta. 109, 136-144 (2013).
- Dutta, S., et al. Mesoporous gold and palladium nanoleaves from liquid–liquid interface: enhanced catalytic activity of the palladium analogue toward hydrazine-assisted room-temperature 4-nitrophenol reduction. ACS Applied Materials & Interfaces. 6 (12), 9134-9143 (2014).
- Lin, C. T., et al. Rapid fabrication of three-dimensional gold dendritic nanoforests for visible light-enhanced methanol oxidation. Electrochimica Acta. 192, 15-21 (2016).
- Lahiri, A., Kobayashi, S. I. Electroless deposition of gold on silicon and its potential applications. Surface Engineering. 32 (5), 321-337 (2016).
- White, N., et al. Surface/interface analysis and optical properties of RF sputter-deposited nanocrystalline titanium nitride thin films. Applied Surface Science. 292, 74-85 (2014).
- Zhao, J., et al. Surface enhanced Raman scattering substrates based on titanium nitride nanorods. Optical Materials. 47, 219-224 (2015).
- Lorite, I., Serrano, A., Schwartzberg, A., Bueno, J., Costa-Krämer, J. L. Surface enhanced Raman spectroscopy by titanium nitride non-continuous thin films. Thin Solid Films. 531, 144-146 (2013).
- O’Kelly, J. P., et al. Room temperature electroless plating copper seed layer process for damascene interlevel metal structures. Microelectronic Engineering. 50 (1), 473-479 (2000).
- Cesiulis, H., Ziomek-Moroz, M. Electrocrystallization and electrodeposition of silver on titanium nitride. Journal of Applied Electrochemistry. 30 (11), 1261-1268 (2000).
- Wu, Y., Chen, W. C., Fong, H. P., Wan, C. C., Wang, Y. Y. Displacement reactions between metal ions and nitride barrier layer/silicon substrate. Journal of the Electrochemical Society. 149 (5), G309-G317 (2002).
- Koo, H. C., Ahn, E. J., Kim, J. J. Direct-electroplating of Ag on pretreated TiN surfaces. Journal of the Electrochemical Society. 155 (1), D10-D13 (2008).
- Shiao, M. H., et al. Novel gold dendritic nanoflowers deposited on titanium nitride for photoelectrochemical cells. Journal of Solid State Electrochemistry. 22 (10), 3077-3084 (2018).
- Shiao, M. H., Lin, C. T., Zeng, J. J., Lin, Y. S. Novel gold dendritic nanoforests combined with titanium nitride for visible-light-enhanced chemical degradation. Nanomaterials. 8 (5), 282 (2018).
- Carraro, C., Maboudian, R., Magagnin, L. Metallization and nanostructuring of semiconductor surfaces by galvanic displacement processes. Surface Science Reports. 62 (12), 499-525 (2007).
