Summary
Este estudo apresenta um procedimento viável para sintetizar nanoformas dendríticos dourados em substratos de nitreto de titânio/silício. A espessura de nanoforests dendríticos do ouro aumenta linearmente dentro de 15 minutos de uma reação da síntese.
Abstract
Neste estudo, um sistema de sputtering do magnetron do impulso de alta potência é usado para revestir uma película Titanium Lisa e firme do nitreto (estanho) em wafers do silicone (si), e uma reação galvânica fluorada-assistida da recolocação (fagrr) é empregada para a deposição rápida e fácil do ouro nanoforests dendríticos (au DNFs) nos substratos TiN/si. Imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) e padrões de espectroscopia de raios X de energia dispersiva de amostras de TiN/si e au DNFs/TiN/si validam que o processo de síntese é controlado com precisão. as condições de reação neste estudo, a espessura do au DNFs aumenta linearmente para 5,10 ± 0,20 μm dentro de 15 min da reação. Portanto, o procedimento de síntese empregado é uma abordagem simples e rápida para a preparação de compósitos au DNFs/TiN/si.
Introduction
As nanopartículas de ouro têm propriedades ópticas características e ressonâncias de Plasmon de superfície localizadas (lsprs), dependendo do tamanho e da forma das nanopartículas1,2,3,4. Além disso, as nanopartículas de ouro podem aumentar significativamente as reações fotocatalíticas plasmonicas5. As nanoformas dendríticas empilhadas usando nanopartículas de ouro receberam considerável atenção por causa de suas áreas de superfície específicas notáveis e realce robusto de lspr6,7,8,9 ,10,11,12,13.
O estanho é um material cerâmico extremamente duro e tem a estabilidade térmica, química, e mecânica notável. A lata tem propriedades óticas distintivas e pode ser usada para aplicações plasmônicas com luz visível-à-próxima-infravermelha14,15. A pesquisa demonstrou que a TiN pode produzir melhorias no campo eletromagnético, semelhantes às nanoestruturas de au16. A deposição de cobre17 ou prata18,19,20 em substratos de estanho para aplicações foi demonstrada. No entanto, poucos estudos foram realizados em materiais compósitos au/TiN para aplicações. Shiao et al. demonstraram, recentemente, potenciais aplicações de compósitos au DNFs/TiN para células fotoeletroquímicas21 e degradação química22.
Au pode ser sintetizado em um substrato TiN usando um FAGRR23. A condição de deposição de au DNFs em TiN é crucial no desempenho das aplicações. Este estudo examina o crescimento de au DNFs em um substrato TiN-coated si.
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Protocol
1. preparação da amostra
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Preparação da carcaça da lata usando um sistema sputtering do magnetron do impulso de alta potência
- Corte um 4 polegadas n-tipo wafer de silício em 2 cm x 2 cm amostras.
- Lave as amostras utilizando acetona, isopropanol e água desionizada.
- Seque-os usando um spray N2 por 5 min.
- Coloc as amostras lavadas do si em um suporte da amostra e coloc o suporte da amostra em uma câmara da sputtering do magnetron do impulso High-Power (HiPIMS).
- Coloque um alvo de titânio com um diâmetro de 4 polegadas em um cátodos de sputtering.
- Reduza a pressão da câmara a menos de 8 x 10-6 Torr usando uma bomba mecânica e um cryopump.
- Use HiPIMS para depositar uma camada de ti em uma bolacha de silício e depositar uma camada de estanho na camada de ti. Veja a tabela 1 para os parâmetros de deposição de camadas de ti e Tin em HiPIMS.
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Au DNF preparação em substratos Tin/si
- Coloque 24 mL de uma solução de reagente compreendendo 10 mM de ácido cloráxico (HAuCl4) e solução de óxido tamponado contendo 11,4% de NH4F e 2,3% HF em um recipiente de Teflon medindo 5 cm x 5 cm x 5 cm.
- Mergulhe os substratos na solução de mistura por 3 min.
- Retire a amostra e lave-a com água desionizada.
- Seque a amostra utilizando o spray N2 e, em seguida, incubar-o a 120 ° c durante 5 min para obter amostras de au dNFS/Tin/si.
- Repita a preparação de au DNF 10x.
examinação 2. Sample
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Análise de microscopia eletrônica de varredura
- Cortar a amostra em 0,4 cm x 0,8 cm com uma caneta de tungstênio, e limpá-lo usando o N2 spray.
- Revele uma película fina do pinta na amostra por um coater do Sputter do íon para 50 s.
- Coloque a amostra preparada em um instrumento de microscopia eletrônica de varredura (SEM).
- Obter imagens de sem pelo microscópio eletrônico de varredura e análise de elementos de conduta21,22.
-
Análises de difração de raios X
- Coloque a amostra em um instrumento de difração de raios X (XRD).
- Obter padrões de XRD21,22.
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Representative Results
A Figura 1 retrata imagens das preparações da amostra au dNFS/Tin/si. O wafer de silício era branco prateado (Figura 1a). A TiN/si foi amarela dourada e apresentava uma superfície homogênea (Figura 1b), que indicou o revestimento de estanho uniforme na bolacha de silício. Au DNFs/TiN/si foi marrom amarelado e menos homogêneo na superfície (Figura 1C) por causa da distribuição aleatória de au dNFS.
A Figura 2 apresenta o plano e as imagens transversais de sem do au dNFS depositados nos substratos Tin/si. A camada TiN tinha uma superfície uniforme (Figura 2a), e a espessura da camada de estanho foi de aproximadamente 300 nm (Figura 2b). Em 1 minuto, os núcleos pequenos do au foram observados em toda parte (Figura 2C), alguns de que tornaram-se em um grande núcleo similar a um ouriço-do-mar (Figura 2D). Uma única estrutura tipo árvore foi formada a 3 min (Figura 2e, f), e essas ramificações foram observadas para se sobrepor a 5 min (Figura 2G, h). A 10 min, o au DNFs formou e cobriu toda a camada TiN (Figura 2i, j). Aos 15 min, foram formados au DNFs densos (Figura 2K), e a espessura do dNFS atingiu 5 μm (Figura 2L).
A Figura 3 mostra os resultados da análise de espectroscopia de raios X de energia dispersiva (EDS) de Tin/si e au dNFS/Tin/si. Os elementos indicados concordaram com o procedimento de síntese. Além disso, os picos evidentes poderiam validar que o revestimento de estanho e a síntese de au DNFs não foram poluídos.
A Figura 4 ilustra a variação da espessura do au dNFS no substrato Tin/si com o tempo FAGRR. A espessura do au DNFs aumentou linearmente com o tempo de síntese. A equação linear sobre a espessura e o tempo de síntese, que variou de 1 a 15 min, foi expressa da seguinte forma: y = 0,296t + 0,649.
A Figura 5 mostra os padrões de XRD de amostras obtidas por diferentes épocas de deposição. Uma orientação forte (111) dos picos de au foi identificada. Os testes padrões cúbicos afiados do au, au (111), au (200), au (220), e au (311), concordaram com JCPDS 04-0784. O aumento dos picos de au com o tempo de deposição correspondeu ao crescimento de au DNFs no substrato TiN/si. Por outro lado, os picos de estanho, ou seja, TiN (111), TiN (200), TiN (220) e TiN (311), foram evidentes em 1 min de deposição, concordando com o JCPDS 38-1420. Após 1 min, os sinais de TiN desapareceram gradualmente porque o substrato TiN/si foi gradualmente coberto por au DNFs. Estes resultados do XRD corresponderam aos relatórios precedentes21,22.
| Substrato | Alimentação de DC W |
Duração do impulso (μs) | Vazão de ar (SCCM) | Vazão de N2 (SCCM) |
| Camada de ti | 250 | 90 | 20 | - |
| Camada de estanho | 300 | 1000 | 30 | 1,5 |
Tabela 1: condições para a preparação da ti e da Tin. HiPIMS parâmetros para a deposição de ti e TiN camadas em uma bolacha de silício.
Figura 1: aparência da amostra. Preparação de uma amostra de 2 cm x 2 cm de (a) uma bolacha de silício, (b) Tin/si, e (c) au dNFS/Tin/si. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: imagens sem de amostras. A SEM sobrecarga e as visões transversais da au DNFs depositadas nos substratos TiN/si em (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. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: análise elementar. Espectro de EDS de (a) Tin/si e (b) au dNFS/Tin/si. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: espessura de au DNF. A espessura de au DNFs no substrato TiN/si em vários tempos de síntese (n = 10) por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: padrões de XRD de amostras. Padrões de XRD de au DNFs no substrato TiN/si em diferentes tempos de síntese. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Neste estudo, au DNFs com vários tamanhos de ramo foram decorados na superfície de TiN/si usando FAGRR. A deposição do au DNFs poderia ser identificada diretamente por uma mudança significativa na cor. A espessura do au DNFs em TiN/si aumentou para 5,10 ± 0,20 μm dentro de 15 min, e esse aumento na espessura pode ser expresso usando a seguinte equação linear: y = 0,296t + 0,649, onde o tempo variou de 1 a 15 min.
No FAGRR, a deposição de metal é afetada pela composição e pelo pH da solução23. A taxa de deposição aumenta com a densidade de defeitos de superfície do substrato. A espessura da camada TiN diminui à medida que o tempo de reação de reposição aumenta. É fácil remover au DNFs dos substratos TiN/si se a espessura do au DNFs é grossa o suficiente.
A reação de deslocamento galânico é mais favorável para um metal com um potencial redox maior23. Neste estudo, o processo de deposição facile e Rapid electroless proposto fornece uma abordagem viável para a preparação de compósitos au/Tin/si que podem ser utilizados como fotocatalisadores de luz visível21,22. Usando o mesmo protocolo, também é possível fabricar au DNFs em outros substratos, como TiN/SiO2/si, Tin/Glass, Tin/Ito e Tin/FTO, para aplicações no futuro.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado pelo Ministério da ciência e tecnologia, Taiwan, os números de contrato mais 105-2221-E-492-003-MY2 e mais 107-2622-E-239-002-a.
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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