Summary
Questo studio presenta una procedura fattibile per sintetizzare nanoforme dendritiche oro su substrati di nitruro di titanio/silicio. Lo spessore delle nanoforme dendritiche d'oro aumenta linearemente entro 15 minuti da una reazione di sintesi.
Abstract
In questo studio, un sistema di sputtering ad impulso magnetron ad alta potenza viene utilizzato per rivestire una pellicola di nitruro di titanio piatta e soda (TiN) su wafer di silicio (si), e una reazione di sostituzione galvanica assistita da fluoro (FAGRR) è impiegata per la deposizione rapida e facile di oro nanoforests dendritiche (au DNFs) sui substrati TiN/si. Le immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) e i modelli di spettroscopia a raggi X a dispersione energetica dei campioni TiN/si e au DNFs/TiN/si confermano che il processo di sintesi è controllato accuratamente. Nelle condizioni di reazione in questo studio, lo spessore degli au DNF aumenta linearemente a 5,10 ± 0,20 μm entro 15 minuti dalla reazione. Pertanto, la procedura di sintesi impiegata è un approccio semplice e rapido per la preparazione di compositi au DNFs/TiN/si.
Introduction
Le nanoparticelle d'oro hanno proprietà ottiche caratteristiche e risonanze plasmonica superficiali localizzate (lsprs), a seconda delle dimensioni e della forma delle nanoparticelle1,2,3,4. Inoltre, le nanoparticelle d'oro possono migliorare significativamente le reazioni fotocatalitiche plasmoniche5. Le nanoforme dendritiche impilate con nanoparticelle d'oro hanno ricevuto notevole attenzione a causa delle loro notevoli aree superficiali specifiche e del robusto potenziamento LSPR6,7,8,9 ,10,11,12,13.
TiN è un materiale ceramico estremamente duro e ha notevole stabilità termica, chimica e meccanica. Tin ha caratteristiche ottiche distintive e può essere utilizzato per applicazioni plasmoniche con luce visibile-a-vicino-infrarosso14,15. La ricerca ha dimostrato che il Tin può produrre miglioramenti del campo elettromagnetico, simili a quelli di au nanostrutture16. È stata dimostrata la deposizione di rame17 o argento18,19,20 su substrati di stagno per applicazioni. Tuttavia, sono stati condotti pochi studi su materiali compositi au/TiN per applicazioni. Hanno recentemente dimostrato le potenziali applicazioni dei compositi au DNFs/TiN per le cellule fotoelettrochimiche21 e la degradazione chimica22.
Au può essere sintetizzato su un substrato TiN utilizzando un FAGRR23. La condizione di deposizione di au DNFs su TiN è cruciale per le prestazioni delle applicazioni. Questo studio esamina la crescita di au DNF su un substrato si rivestito di stagno.
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Protocol
1. preparazione del campione
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Preparazione del substrato TiN utilizzando un sistema di sputtering ad impulso magnetron ad alta potenza
- Tagliare un wafer di silicio di tipo n 4 pollici in campioni di 2 cm x 2 cm.
- Lavare i campioni utilizzando acetone, isopropanolo e acqua deionizzata.
- Asciugarli con uno spray N2 per 5 min.
- Collocare i campioni si lavati in un supporto per campioni e collocare il supporto del campione in una camera a impulsi magnetron sputtering (HiPIMS) ad alta potenza.
- Posizionare un bersaglio di titanio con un diametro di 4 pollici su un catodo sputtering.
- Ridurre la pressione della camera a meno di 8 x 10-6 Torr utilizzando una pompa meccanica e criopump.
- USA HiPIMS per depositare uno strato di ti su un wafer di silicio e deposita uno strato TiN sul ti layer. Vedere la tabella 1 per i parametri di deposizione dei layer ti e Tin in HIPIMS.
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Au DNF preparazione su substrati Tin/si
- Collocare 24 mL di una soluzione di reagente comprendente acido cloroaurico da 10 mM (HAuCl4) e soluzione tampone di ossido tamponato comprendente 11,4% NH4F e 2,3% HF in un contenitore in teflon di dimensioni 5 cm x 5 cm x 5 cm.
- Immergere i substrati nella soluzione di miscelazione per 3 min.
- Rimuovere il campione e lavarlo con acqua deionizzata.
- Asciugare il campione utilizzando lo spray N2 e poi incubarlo a 120 ° c per 5 minuti per ottenere campioni di au Dnfs/Tin/si.
- Ripetere la preparazione au DNF 10x.
2. esame del campione
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Analisi di microscopia elettronica a scansione
- Tagliare il campione in 0,4 cm x 0,8 cm con una penna di tungsteno e pulirlo con lo spray N2 .
- Rivestire un sottile film di PT sul campione da un Coater di polverizzazione catodica ionico per 50 s.
- Collocare il campione preparato in uno strumento di microscopia elettronica a scansione (SEM).
- Ottenere immagini SEM dal microscopio elettronico a scansione e condurre l'analisi degli elementi21,22.
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Analisi della diffrazione dei raggi X
- Collocare il campione in uno strumento di diffrazione a raggi X (XRD).
- Ottenere modelli XRD21,22.
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Representative Results
La Figura 1 raffigura le immagini delle preparazioni di campioni di au Dnfs/Tin/si. Il wafer di silicio era bianco-argenté (Figura 1a). TiN/si era giallo dorato e aveva una superficie omogenea (Figura 1B), che indicava il rivestimento Tin uniforme sul wafer di silicio. Au DNFs/TiN/si era marrone giallastro e meno omogeneo sulla superficie (Figura 1C) a causa della distribuzione casuale di au dnfs.
Figura 2 presenta il piano e le immagini SEM in sezione trasversale di au dnfs depositati sui substrati Tin/si. Lo strato TiN presentava una superficie uniforme (Figura 2a) e lo spessore dello strato Tin era approssimativamente di 300 Nm (Figura 2B). A 1 min, piccoli nuclei au sono stati osservati ovunque (Figura 2C), alcuni dei quali sviluppati in un nucleo grande simile a un riccio di mare (Figura 2D). Una singola struttura ad albero è stata formata a 3 min (Figura 2e, f), e queste ramificazione sono state osservate per sovrapporsi a 5 min (Figura 2G, h). A 10 min, au DNFs formò e copriva l'intero strato TiN (Figura 2i, j). A 15 min, sono stati formati dense au DNF (Figura 2K) e lo spessore dei DNF ha raggiunto 5 μm (Figura 2L).
La Figura 3 Mostra i risultati dell'analisi della spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (eds) di stagno/si e au Dnfs/Tin/si. Gli elementi indicati sono concordati con la procedura di sintesi. Inoltre, i picchi evidenti potrebbero convalidare che il rivestimento di stagno e la sintesi di au DNFs non sono stati inquinati.
La Figura 4 illustra la variazione dello spessore degli au DNF sul substrato Tin/si con il tempo di FAGRR. Lo spessore degli au DNF è aumentato linearemente con il tempo di sintesi. L'equazione lineare sullo spessore e il tempo di sintesi, che variava da 1 a 15 min, è stata espressa come segue: y = 0,296t + 0,649.
Figura 5 Mostra i modelli XRD di campioni ottenuti da diversi tempi di deposizione. È stato identificato un forte orientamento (111) dei picchi di au. Gli acuti modelli di au cubico, au (111), au (200), au (220) e au (311), concordato con JCPDS 04-0784. L'aumento dei picchi di au con il tempo di deposizione corrispondeva alla crescita di au DNFs sul substrato TiN/si. Al contrario, i picchi TiN, vale a dire TiN (111), TiN (200), TiN (220) e TiN (311), erano evidenti a 1 min di deposizione, concordando con il JCPDS 38-1420. Dopo 1 minuto, i segnali di stagno gradualmente scomparvero perché il substrato TiN/si era gradualmente coperto da au DNFs. Questi risultati XRD corrispondevano ai rapporti precedenti21,22.
| Substrato | Alimentazione CC W |
Durata impulso (μs) | Portata di AR (SCCM) | Portata di N2 (SCCM) |
| Strato ti | 250 a | 90 a | 20 | - |
| Strato TiN | 300 a | 1000 a | 30 | 1,5 a |
Tabella 1: Condizioni per la preparazione di ti e Tin. Parametri HiPIMS per la deposizione di strati di ti e TiN su un wafer di silicio.
Figura 1: aspetto del campione. Preparazione di un campione di 2 cm x 2 cm di (a) un wafer di silicio, (b) stagno/si, e (c) au dnfs/Tin/si. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.
Figura 2: Immagini SEM di campioni. Le viste generali e di sezione trasversale di au DNFs depositate sui substrati TiN/si a (a e b) 0 min; (c e d) 1 min; ( e e f) 3 min; (g e h) 5 min; (i e j) 10 min; (k e l) 15 min. fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: analisi elementale. Spettro EDS di (a) stagno/si e (b) au Dnfs/Tin/si. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.
Figura 4: spessore au DNF. Lo spessore di au DNFs su substrato TiN/si in vari tempi di sintesi (n = 10) si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: modelli XRD di campioni. Modelli XRD di au DNFs su substrato TiN/si a diversi tempi di sintesi. Si prega di cliccare qui per visualizzare una versione più grande di questa cifra.
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Discussion
In questo studio, au DNFs con più dimensioni di ramo sono stati decorati sulla superficie di TiN/si utilizzando FAGRR. La deposizione degli au DNF potrebbe essere identificata direttamente da un cambiamento significativo di colore. Lo spessore degli au DNF su TiN/si è aumentato a 5,10 ± 0,20 μm entro 15 minuti, e questo aumento di spessore può essere espresso utilizzando la seguente equazione lineare: y = 0,296t + 0,649, dove il tempo variava da 1 a 15 min.
In FAGRR, la deposizione di metallo è influenzata dalla composizione e dal pH della soluzione23. Il tasso di deposizione aumenta con la densità dei difetti superficiali del substrato. Lo spessore dello strato TiN diminuisce con l'aumentare del tempo di reazione di sostituzione. È facile rimuovere au DNFs dai substrati TiN/si se lo spessore di au DNFs è abbastanza spesso.
La reazione di spostamento galvanico è più favorevole per un metallo con un potenziale redox superiore23. In questo studio, il processo di deposizione elettrochimica facile e rapida proposto fornisce un approccio fattibile per la preparazione di compositi au/Tin/si che possono essere utilizzati come fotocatalizzatori a luce visibile21,22. Utilizzando lo stesso protocollo, è anche possibile fabbricare au DNFs su altri substrati, come TiN/SiO2/si, Tin/Glass, Tin/Ito, e Tin/FTO, per le applicazioni in futuro.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto dal Ministero della scienza e della tecnologia, Taiwan, sotto i numeri di contratto più 105-2221-E-492-003-MY2 e la maggior parte 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
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