Summary
이 연구는 티타늄 질 화/실리콘 기질에 금 수지상 나노 포레스트를 합성 하기 위한 실행 가능한 절차를 제시 합니다. 금 수지상 나노 숲의 두께는 합성 반응의 15 분 이내에 선형적으로 증가 한다.
Abstract
이 연구에서 고 전력 임펄스 마 그 네트 론 스퍼터 링 시스템은 실리콘 (Si) 웨이퍼에 평평 하 고 확고 한 티타늄 질 화물 (TiN) 필름을 코팅 하는 데 사용 되 고, 불 소 보조 식 갈 바 닉 치환 반응 (파 그 RR)은 금의 급속 하 고 쉬운 침착을 위해 채택 됩니다. 주석/Si 기질에 수지상 나노 포리스트 (Au DNFs). 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지 및 주석/Si 및 Au DNFs/주석/Si 샘플의 에너지 분산 X 선 분광학 패턴은 합성 과정이 정확 하 게 제어 되는지 확인 합니다. 본 연구에서의 반응 조건 하에서, Au DNFs의 두께는 반응의 15 분 이내에 5.10 ± 0.20 µm로 선형적으로 증가 한다. 따라서, 고용 된 합성 과정은 Au DNFs/TiN/Si 복합체를 제조 하기 위한 간단 하 고 신속한 접근법 이다.
Introduction
금 나노 입자는1,2,3의 나노 입자의 크기 및 형상에 따라 특징적인 광학적 특성 및 국 소화 된 표면 플 라 즈 몬 공명 (lsprs)을 갖는다. 더욱이, 금 나노 입자는 플라스 몬 광 촉매 반응을 현저 하 게 향상 시킬 수 있다5. 금 나노 입자를 사용 하 여 쌓아 수지상 나노 숲 그들의 주목할 만한 특정 표면적 및 강력한 lspr 향상으로인해 상당한 관심을 받은,7,8,9 , 10,11,12,13.
TiN은 매우 단단한 세라믹 재료 이며 놀라운 열, 화학 및 기계적 안정성을가지고 있습니다. TiN은 특유의 광학적 특성을가지고 있으며 가시광선에서 근 적외선을 가진 플라스 몬 ic에 사용 될 수 있다14,15. 연구에 따르면 주석이 Au 나노 구조체16과 유사 하 게 전자기장 개선 사항을 생산할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 응용을 위한 주석 기판에 구리17 또는은18,19,20 의 침착이 입증 되었다. 그러나, 응용 프로그램에 대 한 Au/주석 복합 재료에 몇 가지 연구가 수행 되었습니다. 시 아오 외. 최근 광 전기 화학 세포 (21 ) 및 화학 분해22에 대 한 Au dnfs/주석 복합 재의 잠재적 응용을 입증 하였다.
Au는 파 파 RR (23)을 이용 하 여 주석 기질 상에 서 합성 될 수 있다. 주석의 Au DNFs의 증 착 조건은 응용 프로그램의 성능에 중요 하다. 이 연구는 주석 코팅 Si 기질에 Au DNFs의 성장을 검사 합니다.
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Protocol
1. 샘플 준비
-
고 전력 임펄스 마 그 네트 론 스퍼터 링 시스템을 이용한 주석 기판 준비
- 4 인치 n 형 실리콘 웨이퍼를 2cm x 2cm 샘플로 자릅니다.
- 아세톤,이 소 프로 판 올 및 탈 이온 수를 사용 하 여 시료를 세척 합니다.
- 5 분간 N2 스프레이를 사용 하 여 말립니다.
- 세척 된 Si 샘플을 샘플 홀더에 놓고 샘플 홀더를 고 전력 임펄스 마 그 네트 론 스퍼터 링 (히포 스) 챔버에 놓습니다.
- 스퍼터 링 음극에 지름 4 인치의 티타늄 타겟을 배치 합니다.
- 기계식 펌프와 cryopump를 사용 하 여 챔버 압력을 8 x 10-6 Torr 이하로 줄입니다.
- 힙 스를 사용 하 여 Ti 층을 실리콘 웨이퍼에 입금 하 고 Ti 층에 TiN 층을 침전 시킵니다. 힙 스의 Ti 및 TiN 층의 증 착 매개 변수는 표 1 을 참조 하십시오.
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오 DNF 주석/Si 기질에 대 한 준비
- 105mm의 클로 로메 산 (haucl 4) 및 11.4 2.3%를 포함 하는 완충 산화물 에칭 액 용액 24ml을, 5cm× 5 cm x 5cm의 테 프 론 용기에 넣어 측정 하는 것을 포함 하는 반응 용액 24 m l을 넣습니다.
- 3 분간 혼합물 용액에 기판을 담 궈 냅니다.
- 샘플을 제거 하 고 탈 이온 수를 사용 하 여 세척 합니다.
- N2 분무를 이용 하 여 시료를 건조 시킨 다음, 120 ° c에서 5 분간 배양 하 여 Au Dnfs/주석/Si 샘플을 얻었다.
- Au DNF 준비 10 배를 반복 한다.
2. 표본 검사
-
주사 전자 현미경 분석
- 샘플을 텅스텐 펜으로 0.4 cm x 0.8 cm로 자르고 N2 스프레이를 사용 하 여 청소 하십시오.
- 50 s를 위한 이온 스퍼터 코팅 기에 의해 샘플에 얇은 Pt 필름을 코팅 합니다.
- 준비 된 샘플을 주사 전자 현미경 (SEM) 기기에 넣습니다.
- 주사 전자 현미경 및 실시 요소 분석21,22에 의해 SEM 이미지를 얻는다.
-
X-선 회절 분석
- 샘플을 X 선 회절 (XRD) 계측기에 넣습니다.
- XRD 패턴21,22를 구합니다.
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Representative Results
그림 1 은 Au Dnfs/주석/Si 샘플 준비의 이미지를 묘사 합니다. 실리콘 웨이퍼는은 빛 흰색 이었다 (도 1a). TiN/Si는 황금 황색 이며 균질 한 표면 (도 1b)을 가졌다,이는 실리콘 웨이퍼 상에 균일 한 주석 코팅을 지시 하였다. Au dnfs/TiN/Si는 Au DNFs의 랜덤 분포 때문에 표면 (도 1c)에서 황색을 띤 갈색과 덜 균질 하였다.
도 2 는 주석/Si 기판 상에 침착 된 Au dnfs의 계획 및 단면 SEM 이미지를 제시 한다. 주석 층은 균일 한 표면 (도 2a)을가지고 있었고, 주석 층의 두께는 대략 300 nm 였다 (도 2b). 1 분에서 작은 Au 핵은 모든 곳에서 관찰 되었다 (그림 2c), 그 중 일부는 성 게와 유사한 큰 핵으로 개발 (그림 2d). 트리-유사 구조가 3 분 (도 2e, f)에서 형성 되었고, 이들 분기는 5 분 (도 2g, h)에서 중첩 되는 것으로 관찰 되었다. 10 분에서 Au DNFs가 형성 되 고 전체 TiN 층을 덮었 다 (그림 2i, j). 15 분 후 고밀도 Au DNFs가 형성 되었고 (도 2k) dnfs의 두께가 5 µm 도달 하였다 (도 2l).
도 3 은 주석/Si 및 Au Dnfs/Tin/si의 에너지 분산 X 선 분 광 법 (EDS) 분석 결과를 보여준다. 표시 된 요소는 합성 절차와 합의. 더욱이, 명백한 봉우리는 주석의 코팅과 Au DNFs의 합성이 오염 되지 않은 것을 검증할 수 있었습니다.
도 4 는 주석/Si 기질에 대 한 Au dnfs의 두께의 변화를 파 우 시간으로 나타낸 것 이다. Au DNFs의 두께는 합성 시간에 선형적으로 증가 하였다. 두께 및 합성 시간에 대 한 선형 방정식을 1 내지 15 분으로 원거리 하 여 다음과 같이 표현 하였다: 0.296t + 0.649.
도 5 는 상이한 증 착 시간에 의해 얻어진 샘플의 XRD 패턴을 보여준다. Au 봉우리의 강한 (111) 방향이 확인 되었다. 샤 프 큐빅 au 패턴은 JCPDS 04-0784에 합의 한 바와 같이 au 111, au (200) 및 au (311)를 포함 한다. 증 착 시간에 대 한 Au 피크의 증가는 주석/Si 기판 상의 Au DNFs의 성장에 상응 한다. 한편, 주석 봉우리, 즉 주석 (111), 주석 (220) 및 주석 (311)에는 JCPDS 38-1420에 동의 하 여 1 분간 증 착 시 분명 하였다. 1 분 후 주석/Si 기판이 점차적으로 Au DNFs에 의해 덮여 있기 때문에 주석의 신호가 점차 사라졌습니다. 이러한 XRD 결과는 이전 보고서21,22에 상응 한다.
| 기판 | 직류 전원 W |
임펄스 지속 시간 (µs) | Ar의 유 속 (sccm) | N2 유량 (sccm ) |
| Ti 레이어 | 250 | 90 | 20 | - |
| 주석 층 | 300 | 1000 | 30 | 1.5 |
표 1: Ti 및 TiN을 제조 하기 위한 조건. 실리콘 웨이퍼 상에 Ti 및 TiN 층을 증 착 하기 위한 히포 스 파라미터.
그림 1: 샘플 모양 (A) 실리콘 웨이퍼의 2 cm x 2cm 샘플을 제조 하 고, 주석 및(c) Au dnfs/주석/si. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: 샘플의 SEM 사진. (A 및 b)에서 주석/Si 기판 상에 증 착 된 AU dnfs의 SEM 오버 헤드 및 단면도는 0 분; (c 및 d) 1 분; (e 및 f) 3 분; (g 및 h) 5 분; (i 및 j) 10 분; (k , l) 15 분 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: 원소 분석. 주석/시 및(b) Au Dnfs/주석/si의 EDS 스펙트럼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4: AU DNF 두께. 다양 한 합성 시간에서 주석/Si 기판에 대 한 Au DNFs의 두께 (n=10) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5: XRD 샘플 패턴 상이한 합성 시간에서 주석/Si 기질에 대 한 Au DNFs의 XRD 패턴. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
이 연구에서, 여러 가지 크기의 Au DNFs는 파 RR을 사용 하 여 주석/Si의 표면에 장식 되었다. Au DNFs의 침착은 색상의 현저한 변화에 의해 직접적으로 식별 될 수 있다. 주석/Si 상의 Au DNFs의 두께는 15 분 이내에 5.10 ± 0.20 µm 증가 하 고, 이러한 두께의 증가는 다음의 선형 방정식을 사용 하 여 표현할 수 있다: y = 0.296t + 0.649, 여기서 시간은 1 ~ 15 분으로 다양 하다.
파 RR에서, 금속 증 착은 용액 (23)의 조성 물 및 pH에 의해 영향을 받는다. 증 착 률은 기판 표면 결함의 밀도와 함께 증가 한다. 대체 반응 시간이 증가할수록 TiN 층의 두께가 감소 한다. Au DNFs의 두께가 충분히 두꺼워 지 면 주석/Si 기판에서 Au DNFs를 쉽게 제거 할 수 있습니다.
갈 바 닉 변위 반응은 더 높은 산화 환 원 전위 (23)를 갖는 금속에 대해 더 유리 하다. 본 연구에서, 제안 된 간편한 및 급속 한 무전 해 증 착 공정은 가시광 광 촉매 (21)로 사용 될 수 있는 Au/TiN/Si 복합체를 제조 하기 위한 실현 가능한 접근법을 제공 한다. 동일한 프로토콜을 사용 하 여, 미래의 적용을 위해 주석/Sio2/Si, 주석/유리, 주석/ITO 및 주석/fto와 같은 다른 기판 상에 Au dnfs를 제조할 수도 있다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
이 작품은 대만 과학 기술 부에 의해 지원 되었다, 대부분의 105-2221-전자 492-003-MY2 및 대부분의 107-2622 239-002-CC3의 계약 번호.
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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