Summary
מחקר זה מציג הליך אפשרי עבור סינתזה זהב ננויערות הדנדריטים על טיטניום nitride/סיליקון מצעים. העובי של הננו-יערות הדנדריטים זהב מגביר ליניארי בתוך 15 דקות של תגובת סינתזה.
Abstract
במחקר זה, כוח גבוהה הדחף מגנטרון מערכת התזה משמש מעיל שטוח ומוצק טיטניום ניטריד (בדיל) סרט על הסיליקון (Si), ו התגובה פלואוריד בסיוע גלוון (fagrr) הוא מועסק עבור התצהיר המהיר והקל של זהב ננו-יערות דנדריטים (Au DNFs) על מצעים בדיל/סי. סריקת מיקרוסקופ אלקטרוני (SEM) ומפזרים באנרגיה בתבניות X-ray של בדיל/סי ו-Au DNFs/בדיל/סי מאמתים כי תהליך הסינתזה נשלט באופן מדויק. תחת תנאי התגובה במחקר זה, את עובי של Au dnfs מגדיל בצורה לינארית 5.10 ± 0.20 יקרומטר בתוך 15 דקות של התגובה. לכן, הליך הסינתזה של המועסקים הוא גישה פשוטה ומהירה להכנת Au DNFs/בדיל/Si מרוכבים.
Introduction
זהב חלקיקים יש תכונות אופטיות אופייני מקומי המשטח פלשני מהדהד (lsprs), בהתאם לגודל והצורה של חלקיקים1,2,3,4. יתר על כן, חלקיקי זהב יכולים לשפר באופן משמעותי את התגובות photocatalytic5. ננו יערות דנדריטי מוערמים באמצעות חלקיקי זהב קיבלו תשומת לב ניכרת בגלל שלהם שטחים ספציפיים לציון שלהם שטח שיפור lspr חזק6,7,8,9 ,10,11,12,13.
TiN הוא חומר קרמי מאוד והוא בעל יציבות מכנית ותרמית מדהימה. TiN כולל תכונות אופטיות ייחודיות וניתן להשתמש בהן עבור יישומים פלמונית עם אור אינפרא-אדום גלוי לעין14,15. מחקרים הוכיחו כי פח יכול לייצר שיפורים אלקטרומגנטיים שדה, בדומה Au ננו מבנים16. התצהיר של נחושת17 או כסף18,19,20 על פח מצעים עבור יישומים הוכח. עם זאת, מספר מחקרים בוצעו על חומרים מרוכבים Au/TiN עבור יישומים. Shiao et al. הפגינו לאחרונה יישומים פוטנציאליים של Au DNFs/בדיל מרוכבים עבור תאים פוטואלקטרוכימי21 השפלה כימית22.
Au יכול להיות מסונתז על מצע פח באמצעות FAGRR23. תנאי התצהיר של Au DNFs על TiN הוא קריטי בביצועים של יישומים. מחקר זה בוחן את התפתחותם של Au DNFs על מצע פח מצופה Si.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. הכנה לדוגמא
-
הכנת מצע פח בעזרת מערכת התזה של מגנטרון בעוצמה גבוהה
- חותכים 4 אינץ ' n-סוג סיליקון וופל לתוך 2 ס"מ x 2 ס"מ דגימות.
- רוחצים את הדגימות באמצעות אצטון, איזופנול, ומים מיותר.
- לייבש אותם באמצעות תרסיס N2 עבור 5 דקות.
- מניחים את הדגימות שטף Si במחזיק מדגם ומניחים את המחזיק לדוגמה לתוך הכוח גבוהה הדחף מגנטרון (HiPIMS) החדר.
- מניחים יעד טיטניום עם קוטר של 4 סנטימטרים על קתודה התזה.
- הפחת את הלחץ הקאמרי לפחות מ-8 x 10-6 Torr באמצעות משאבה מכנית וקריושופט.
- השתמש ב-HiPIMS כדי להפקיד שכבת Ti בפרוסת סיליקון ולהפקיד שכבת פח בשכבת Ti. ראה טבלה 1 עבור פרמטרי ההצהרה של שכבות Ti ובדיל ב-HiPIMS.
-
AU DNF הכנה על מצעים בדיל/סי
- מקום 24 מ ל של פתרון מגיב המורכב 10 מילימטר חומצה כלורורית (האוקלרנית4) ו-הפתרון באגירה מועלת תחמוצת המורכב 11.4% NH4F ו 2.3% HF לתוך מכולה טפלון מדידה 5 ס"מ x 5 ס"מ x 5 ס מ.
- טבול את הסובסטרטים לתוך פתרון התערובת במשך 3 דקות.
- הסר את הדגימה ושטוף אותו באמצעות מים מפוהים.
- יבש את המדגם באמצעות תרסיס N2 ולאחר מכן מודלת אותו ב 120 ° c עבור 5 דקות כדי להשיג בדיקות Au dnfs/בדיל/סי.
- חזור על התכשיר Au DNF 10x.
2. בחינת דגימה
-
סריקת ניתוח מיקרוסקופ אלקטרוני
- חותכים את המדגם לתוך 0.4 ס"מ x 0.8 ס"מ עם עט טונגסטן, ולנקות אותו באמצעות תרסיס N2 .
- מעיל סרט Pt דק על המדגם על ידי coater יון מאטר עבור 50 s.
- מניחים את המדגם המוכן לתוך כלי סריקה אלקטרון מיקרוסקופ (SEM).
- השג תמונות SEM על-ידי סריקת מיקרוסקופ אלקטרון והתנהלות אלמנט בניתוח21,22.
-
ניתוח עקיפה של קרני רנטגן
- מקם את המדגם בכלי עקיפה של קרני רנטגן (XRD).
- . השג את הדפוסים האחרים21,22
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
איור 1 מתאר תמונות של ההכנות לדוגמה או dnfs/בדיל/סי. וופל הסיליקון היה לבן כסוף (איור 1a). בדיל/סי היה צהוב זהוב והיה לו משטח אחיד (איור 1b), שציין את ציפוי הפח האחיד על וופל הסיליקון. Au DNFs/בדיל/סי היה חום צהבהב ופחות הומוגנית על פני השטח (איור 1c) בגלל ההתפלגות האקראית של Au dnfs.
איור 2 מציג את התוכנית ותמונות SEM מוצלבות של Au dnfs הופקד על מצעים בדיל/סי. שכבת פח היה משטח אחיד (איור 2a), ואת עובי שכבת פח היה כ 300 ננומטר (איור 2a). ב -1 דקות נצפו גרעינים קטנים בכל מקום (איור 2 ג), שחלקם התפתחו לגרעין גדול דומה לקיפוד ים (איור 2 ג). מבנה כמו עץ בודד הוקמה ב 3 דקות (איור 2e, f), ו הסתעפות אלה נצפו חפיפה ב 5 דקות (איור 2e, h). בשעה 10 דקות, או DNFs הקימו וכיסו את שכבת הפח כולה (איור 2i, j). ב 15 דקות, הוקמה Au dnfs צפוף (איור 2k), ואת עובי dnfs הגיע 5 יקרומטר (איור 2k).
איור 3 מראה את תוצאות ניתוח ה-X-RAY (עורכים) של בדיל/סי ו-Au dnfs/בדיל/סי. האלמנטים שצוינו הסכימו עם הליך הסינתזה. יתרה מזאת, הפסגות הניכרות יכלו לאמת את העובדה שציפוי הפח וסינתזה של או-Nfs לא היו מזוהמים.
איור 4 ממחיש את הווריאציה של העובי של Au dnfs על המצע TiN/סי עם זמן fagrr. עובי או DNFs גדל ליניארי עם זמן סינתזה. המשוואה הליניארית על עובי וזמן סינתזה, אשר נע בין 1 עד 15 דקות, התבטא כדלקמן: y = 0.296t + 0.649.
איור 5 מציג את דפוסי xrd של דגימות המתקבלות על ידי שעות התצהיר שונות. זוהתה כיוון חזקה (111) של Au פסגות. הדפוסים החדים של Au מעוקבים, Au (111), Au (200), Au (220), ו-Au (311), הסכים עם JCPDS 04-0784. העלייה ב-Au פסגות עם זמן התצהיר התכתב הצמיחה של או DNFs על המצע TiN/סי. מצד שני, פסגות פח, כלומר פח (111), פח (200), פח (220), ו פח (311), היו ברור 1 דקות התצהיר, מסכים עם JCPDS 38-1420. לאחר 1 דקות, האותות של פח נעלמו בהדרגה מכיוון שמצע פח/סי היה מכוסה בהדרגה על ידי Au DNFs. תוצאות ה-xrd התכתב עם הדוחות הקודמים21,22.
| מצע | כוח DC W |
משך הדחף (μs) | שיעור הזרימה של Ar (sccm) | שיעור הזרימה של N2 (sccm) |
| שכבת Ti | 250 | 90 | 20 | - |
| שכבת פח | 300 | 1000 | 30 | 1.5 |
טבלה 1: תנאים להכנת Ti ובדיל. פרמטרי HiPIMS עבור התצהיר של שכבות Ti ובדיל על וופל סיליקון.
איור 1: מראה לדוגמה. הכנה של דגם 2 ס"מ x 2 ס מ של (a) סיליקון וופל (ב) בדיל/סי, ו (ג) Au dnfs/בדיל/סי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תמונות SEM של דגימות. תקורת ה-SEM והתצוגות החוצות של Au DNFs הופקד על מצעים בדיל/סי (a ו- b) 0 דקות; (c ו -d) 1 דקות; (e ו- f) 3 דקות; (g ו- h) 5 דקות; (i ו- j) 10 דקות; (k ו- l) 15 דקות אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: ניתוח אלמנטלים. הספקטרום של (א) בדיל/סי ו (ב) Au Dnfs/בדיל/סי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: עובי DNF. העובי של Au DNFs על בדיל/סי המצע בזמני סינתזה שונים (n = 10) נא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: תבניות XRD של דגימות. XRD דפוסי של Au DNFs על בדיל/סי המצע בזמני סינתזה שונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
במחקר זה, Au DNFs עם מספר גדלים של ענפים עוצבו על פני השטח של פח/סי באמצעות FAGRR. התצהיר של או-Nfs יכול להיות מזוהה ישירות על ידי שינוי משמעותי בצבע. העובי של Au dnfs על בדיל/סי עלה ל 5.10 ± 0.20 יקרומטר בתוך 15 דקות, ואת העלייה הזאת בעובי יכול להתבטא באמצעות המשוואה הליניארית הבאה: y = 0.296t + 0.649, שבו הזמן מגוון בין 1 עד 15 דקות.
ב-FAGRR, הצבת המתכת מושפעת מהקומפוזיציה ומרמת ה-pH של הפתרון23. שיעור התצהיר עולה עם צפיפות של פגמים במשטח המצע. עובי שכבת הפח פוחתת כאשר מגדילה את זמן התגובה החלופית. קל להסיר Au DNFs מן בדיל/סי מצעים אם העובי של או DNFs הוא עבה מספיק.
תגובת עקירה לגלוון מהווה יותר נוח למתכת בעלת פוטנציאל החמצון גבוה יותר23. במחקר זה, נתיישב המוצע התהליך מהיר התצהיר מספק גישה אפשרית עבור הכנת Au/בדיל/סי מרוכבים אשר ניתן להשתמש בהם כמו פוטוזרזים אור לעין21,22. באמצעות אותו פרוטוקול, ניתן גם להמציא Au DNFs על מצעים אחרים, כגון פח/SiO2/Si, פח/זכוכית, פח/איטו, ו-TIN/fto, עבור יישומים בעתיד.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
עבודה זו נתמכת על ידי משרד המדע והטכנולוגיה, טייוואן, תחת מספרי חוזה רוב 105-2221-E-492-003-MY2 ורוב 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).
