Summary
本研究は、窒化チタン/シリコン基板上に金樹状 nanoforests を合成するための実現可能な手順を提示する。金樹状 nanoforests の厚さは、合成反応の15分以内に直線的に増加します。
Abstract
本研究では、シリコン (Si) ウエハ上にフラットでしっかりとした窒化チタン (TiN) 膜をコーティングするために、高出力インパルスのマグネトロンスパッタリングシステムを用いており、金の迅速かつ容易な沈着のためにフッ化物アシスト電位置換反応 (FAGRR) が用いられています。錫/Si 基板上の樹状 nanoforests (Au DNFs)。スズ/Si および Au DNFs/スズ/Si サンプルの走査電子顕微鏡 (SEM) 画像およびエネルギー分散 X 線分光パターンは、合成プロセスが正確に制御されていることを検証します。この試験における反応条件下では、Au DNFs の厚さは、反応の15分以内に5.10 ±0.20 μ m に直線的に増加する。従って、使用された合成のプロシージャは Au の DNFs/錫/Si の複合材料を準備するための簡単で、急速なアプローチである。
Introduction
金ナノ粒子は、ナノ粒子1、2、3、4のサイズおよび形状に応じて、特徴的な光学的特性および局在性表面プラズモン共鳴 (LSPRs) を有する。さらに、金ナノ粒子は、プラズモニック光触媒反応を顕著に増強することができる5。金ナノ粒子を用いた樹状 nanoforests 積層は、その注目すべき比表面積と強い LSPR 強化のためにかなりの注目を受けている6,7,8,9 、10、11、12、13。
錫は非常に硬いセラミック材料であり、熱、化学、および機械的安定性に優れています。錫は特徴的な光学的特性を有しており、可視近赤外光14,15のプラズモニックアプリケーションに使用できます。研究は、スズが Au ナノ構造体16と同様に電磁界拡張を生成できることを示した。銅17または銀18,19,20の塗布用錫基質への堆積が実証されている。しかし、Au/TiN 複合材料を応用した研究はほとんど行われていない。Shiao et al. は最近、photoelectrochemical 細胞21および化学分解22のための Au DNFs/錫複合材料の潜在的応用を示した。
Au は、FAGRR23を用いて錫基材上で合成することができる。スズの Au DNFs の堆積条件は、アプリケーションの性能において非常に重要です。本研究では、錫被覆 Si 基板における Au DNFs の成長について検討する。
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Protocol
1. サンプル調製
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ハイパワーインパルスマグネトロンスパッタリングシステムを用いた錫基板製剤
- 4インチ n 型シリコンウエハを 2 cm x 2 cm のサンプルに切断します。
- アセトン、isopropanol、および脱イオン水を使用してサンプルを洗浄してください。
- N2スプレーで5分間乾燥させてください。
- 洗浄した Si サンプルをサンプルホルダに置き、高出力インパルスマグネトロン (HiPIMS) チャンバーにサンプルホルダを置きます。
- スパッタリングカソードに直径4インチのチタンターゲットを配置します。
- 機械式ポンプとクライオポンプを使用して、チャンバの圧力を 8 x 10-6 Torr 未満に下げます。
- HiPIMS を使用して、シリコンウエハ上に Ti 層を堆積させるとともに、Ti 層上にスズ層を堆積します。HiPIMS の Ti および TiN 層の堆積パラメータについては、表 1を参照してください。
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AU DNF錫/Si 基板の準備
- 10 mM chloroauric 酸 (HAuCl4) と、11.4% NH4F および 2.3% HF を含む緩衝酸化物エッチャント溶液を、5 cm x 5 cm x 5Cm を測定するテフロン容器に 24 mL 入れます。
- 基板を混合溶液に3分間浸します。
- 試料を取り出し、脱イオン水で洗浄してください。
- N2 スプレーでサンプルを乾燥させ、120° c で5分間インキュベートして、Au DNFs/錫/Si サンプルを得ます。
- Au DNF 準備10x を繰り返します。
2. 検体検査
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走査型電子顕微鏡分析
- 試料をタングステンペンで 0.4 cm x 0.8 cm に切り、N2 スプレーで洗浄します。
- 50 s のイオンスパッタリングコーティングによってサンプル上の薄い Pt フィルムをコーティングします。
- 調製した試料を走査型電子顕微鏡 (SEM) 器具に入れます。
- 走査型電子顕微鏡により SEM 画像を取得し、要素解析21,22を行う。
-
X 線回折解析
- X 線回折 (XRD) 器具に試料を入れます。
- XRD パターン21、22を得る。
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Representative Results
図 1は、Au DNFs/錫/Si 試料調製物の画像を示しています。シリコンウエハは銀白色であった (図 1a)。スズ/Si は金色の黄色であり、均質な表面を有していた (図 1b)、これはシリコンウエハ上の均一スズ被覆を示した。Au DNFs/スズ/Si は、Au DNFs のランダム分布のため、表面には黄色がかった茶色であり、均質ではなかった (図 1c)。
図 2は、スズ/Si 基板上に堆積した Au DNFs の計画及び断面 SEM 画像を示す。スズ層は均一な表面を有し (図 2a)、スズ層の厚さは約 300 nm であった (図 2b)。1分で、どこでも小さな Au 核が観察され (図 2c)、その一部はウニに似た大きな核に発展した (図 2d)。単一の樹状構造体を3分間で形成した (図 2e, f) と、これらの分岐が5分で重なることが観察された (図 2g, h)。10分で、Au DNFs が形成され、錫層全体を覆った (図 2i、j)。15分で、密な Au DNFs が形成され (図 2k)、DNFs の厚さが5μ m に達した (図 2l)。
図 3は、錫/Si と Au DNFs/スズ/si のエネルギー分散型 X 線分光法 (EDS) 解析結果を示したものです。示された要素は、合成手順に同意した。さらに、明らかなピークは、錫のコーティングと Au DNFs の合成が汚染されていないことを検証することができます。
図 4は、スズ/Si 基板上の Au DNFs の厚さのばらつきを FAGRR 時間で示したものである。Au DNFs の厚さは、合成時間に比例して増加した。厚さと合成時間の線形方程式は、1 ~ 15 分の範囲で、 y = 0.296t + 0.649 のように表されました。
図 5は、異なる堆積時間によって得られた試料の XRD パターンを示す。Au ピークの強い (111) 配向が確認された。シャープキュービック Au パターン Au (111)、Au (200)、Au (220)、および Au (311) は、JCPDS 04-0784 と合意しました。堆積時間による Au ピークの増加は、スズ/Si 基板上の Au DNFs の成長に相当する。一方、錫ピーク、即ち錫 (111)、錫 (200)、錫 (220)、及び錫 (311) は、1分成膜において明らかであり、JCPDS 38-1420 と一致した。1分後には、スズ/Si 基板が徐々に Au DNFs に覆われていたため、錫の信号が徐々に消えていきました。これらの XRD 結果は、以前の報告21,22に相当する。
| 基板 | DC 電源 W |
インパルス継続時間 (μ s) | Ar (sccm) のフローレート | N2 (sccm) のフローレート |
| Ti 層 | 250 | 90 | 20 | - |
| TiN レイヤ | 300 | 1000 | 30 | 1.5 |
表 1: Ti およびスズを調製するための条件。シリコンウエハ上の Ti および錫層の堆積のための HiPIMS パラメータ。
図 1: サンプルの外観。(A) シリコンウェーハ、(b) 錫/si、(c) Au DNFs/スズ/si の2cm ×2cm の試料を作製した。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 2: サンプルの SEM 写真。Au DNFs の SEM の頭上および横断面の眺めは (aおよびb) 0 分の錫/Si の基質で沈殿した;(cおよびd) 1 分;(eおよびf) 3 分;(gおよびh) 5 分;(iおよびj) 10 分;(kとl) 15 分この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 3: 元素分析(A) 錫/si および (b) Au DNFs/スズ/si の EDS スペクトル。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 4: AU DNF の厚さ。様々な合成時間でスズ/Si 基板上の Au DNFs の厚さ (n = 10)この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください.
図 5: サンプルの XRD パターン。スズ/Si 基板上の Au DNFs の XRD パターンは、異なる合成時間である。この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
本研究では、FAGRR を用いて TiN/Si 表面に複数の分岐サイズを持つ Au DNFs を装飾した。Au DNFs の堆積は、色の著しい変化によって直接識別することができる。スズ/Si の Au DNFs の厚さは15分以内に5.10 ±0.20 μ m に増加し、この厚さの増加は、次の線形方程式を用いて表現することができます: y = 0.296t + 0.649、ここで時間は1から15分に変化しました。
FAGRR では、金属蒸着は溶液23の組成と pH の影響を受ける。堆積速度は、基板表面欠陥の密度とともに増加する。交換反応時間が長くなると、スズ層の厚さが減少します。Au DNFs の厚さが十分に厚い場合、スズ/Si 基板から Au DNFs を除去するのは簡単です。
ガルバニック変位反応は、より高い酸化還元電位23を有する金属に対してより有利である。本研究では、提案された容易なおよびラピッド無電解堆積プロセスは、可視光触媒21、22として使用することができる Au/錫/Si 複合材料を調製するための実現可能なアプローチを提供する。同じプロトコルを使用して、将来のアプリケーションのために、錫/Sio2/Si、錫/ガラス、錫/ITO、錫/FTO などの他の基材で Au DNFs を製造することも可能です。
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Disclosures
作者は何も開示することはありません。
Acknowledgments
この作品は、契約番号のほとんど 105-2221-E-492-003-MY2 とほとんどの 107-2622-E-239-002-CC3 の下で、台湾の科学技術省によって支持されました。
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 |
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