Summary
Denna studie presenterar ett genomförbart förfarande för att syntetisera guld dendritiska nanoforests på Titan nitrid/kisel substrat. Tjock leken av guld dendritiska nanoforests ökar linjärt inom 15 min av en syntes reaktion.
Abstract
I denna studie, en hög effekt impuls magnet Ron sputtring system används för att belägga en platt och fast Titan nitrid (TiN) film på kisel (SI) wafers, och en fluorid-Assisted galvanisk ersättnings reaktion (FAGRR) används för snabb och enkel deposition av guld dendritiska nanoforester (AU DNFs) på TiN/si-substrat. Scanning elektronmikroskopi (SEM) bilder och energidispersiva röntgen spektroskopi mönster av TiN/si och au DNFs/TiN/si prover validera att syntesen processen är noggrant kontrollerad. Under reaktions förhållanden i denna studie, tjock leken på Au DNFs ökar linjärt till 5,10 ± 0,20 μm inom 15 min av reaktionen. Därför är den sysselsatta syntes förfarandet en enkel och snabb metod för att förbereda au DNFs/TiN/si kompositer.
Introduction
Guldnanopartiklar har karakteristiska optiska egenskaper och lokaliserad ytplasmon resonanser (lsprs), beroende på storleken och formen på nanopartiklarna1,2,3,4. Dessutom kan Guldnanopartiklar avsevärt förbättra plasmoniska foto katalytiska reaktioner5. Dendritic nanoforests staplade med hjälp av Guldnanopartiklar har fått stor uppmärksamhet på grund av deras anmärknings värda specifika yta och robust lspr förbättring6,7,8,9 ,10,11,12,13.
Tenn är ett extremt hårt keramiskt material och har en anmärknings värd termisk, kemisk och mekanisk stabilitet. Tin har distinkta optiska egenskaper och kan användas för plasmoniska tillämpningar med synligt till nära infrarött ljus14,15. Forskning har visat att Tin kan producera elektro magnetiska fält förbättringar, liknande au nanostrukturer16. Deposition av koppar17 eller silver18,19,20 på tennsubstrat för applikationer har påvisats. Emellertid, några studier har utförts på Au/TiN komposit material för applikationer. Shiao et al. har nyligen visat potentiella tillämpningar av au DNFs/TiN kompositer för fotoelektrokemiska celler21 och kemisk nedbrytning22.
Au kan syntetiseras på ett TiN-substrat med hjälp av en FAGRR23. Deponerings tillstånd för au DNFs på tenn är avgörande för utförandet av ansökningarna. I denna studie unders öks tillväxten av au DNFs på ett TiN-belagt si-substrat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. prov beredning
-
Beredning av TiN-substrat med hjälp av en hög effekt impuls magnet Ron sputtring system
- Skär en 4 tum n-typ kisel wafer i 2 cm x 2 cm prover.
- Tvätta proverna med aceton, isopropanol och avjoniserat vatten.
- Torka dem med en N2 spray för 5 min.
- Placera de tvättade si-proverna i en prov hållare och placera prov hållaren i en hög effekt impuls magnet Ron sputtring (HiPIMS) kammare.
- Placera ett Titan mål med en diameter på 4 inches på en sputtring katod.
- Minska kammar trycket till mindre än 8 x 10-6 torr genom att använda en mekanisk pump och cryopump.
- Använd HiPIMS för att sätta in ett ti-lager på en kisel skiva och sätta in ett TiN-skikt på ti-skiktet. Se tabell 1 för nedfalls parametrarna för TI-och Tin-lagren i HiPIMS.
-
Au DNF beredning av tenn/si-substrat
- Placera 24 mL av en reaktant lösning bestående av 10 mM chloroauric Acid (HAuCl4) och buffrad etsmedel lösning bestående av 11,4% NH4F och 2,3% HF till en teflonbehållare som mäter 5 cm x 5 cm x 5 cm.
- Doppa substraten i blandnings lösningen i 3 min.
- Ta bort provet och tvätta det med avjoniserat vatten.
- Torka provet med hjälp av N2 -sprayen och inkubera den vid 120 ° c i 5 minuter för att erhålla au Dnfs/Tin/si-prover.
- Upprepa au DNF förberedelse 10x.
2. prov undersökning
-
Scanning elektron mikroskopi analyser
- Skär provet i 0,4 cm x 0,8 cm med en volfram penna, och rengör den med N2 spray.
- Coat en tunn PT film på provet med en Jon spotta bestrykare för 50 s.
- Placera det preparerade provet i ett instrument för scanning-elektronmikroskopi (SEM).
- Få SEM bilder av scanning elektron Mikroskop och uppförande element analys21,22.
-
Röntgen diffraktions analyser
- Placera provet i ett X-ray diffraktion (XRD) instrument.
- Få XRD mönster21,22.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 föreställer bilder av au Dnfs/Tin/si prov preparat. Kisel skivan var silvervit (figur 1a). TiN/si var guldgult och hade en homogen yta (figur 1b), vilket indikerade den enhetliga Tin-beläggningen på kisel skivan. Au DNFs/TiN/si var gulbruna och mindre homogena på ytan (figur 1c) på grund av den slumpmässiga distributionen av au dnfs.
Figur 2 presenterar planen och TVÄRSNITTS SEM bilder av au dnfs deponeras på Tin/si substrat. TiN-skiktet hade en enhetlig yta (figur 2A) och tjock leken på Tin-skiktet var ungefär 300 Nm (figur 2b). Vid 1 min observerades små au-kärnor överallt (figur 2C), varav en del utvecklades till en stor kärna som liknade en sjöborre (figur 2D). En enda trädliknande struktur bildades vid 3 min (figur 2e, f), och dessa förgreningar observerades för att överlappa vid 5 min (figur 2g, h). Vid 10 min, au DNFs bildade och täckte hela TiN skiktet (figur 2i, j). Vid 15 min, tät au DNFs bildades (figur 2k), och tjock leken på dnfs nådde 5 μm (figur 2L).
Figur 3 visar den energidispersiva röntgenspektroskopi (EDS) analys resultat av tenn/si och au Dnfs/Tin/si. De indikerade bestånds delarna instämmde med det syntes tillvägagångs sättet. Dessutom kunde de uppenbara topparna validera att beläggningen av tenn och syntesen av au DNFs inte var förorenad.
Figur 4 illustrerar variationen av tjock leken på Au Dnfs på Tin/si-substrat med FAGRR tid. Tjock leken på Au DNFs ökade linjärt med syntes tid. Den linjära ekvationen för tjocklek och syntes tid, som varierade från 1 till 15 min, uttryck tes enligt följande: y = 0,296t + 0,649.
Figur 5 visar XRD-mönstren för prover som erhållits genom olika nedfalls tider. En stark (111) orientering av au toppar identifierades. Den skarpa kubik au mönster, au (111), au (200), au (220) och au (311), överens med JCPDS 04-0784. Ökningen av au toppar med nedfallet tid motsvarade tillväxten av au DNFs på TiN/si-substrat. Å andra sidan, TiN toppar, nämligen TiN (111), TiN (200), TiN (220), och TiN (311), var uppenbara vid 1 min deposition, överens med JCPDS 38-1420. Efter 1 min, signalerna av TiN försvann gradvis eftersom TiN/si-substrat gradvis täcktes av au DNFs. Dessa XRD resultat motsvarade tidigare rapporter21,22.
| Substrat | LIKSTRÖM W |
Impuls varaktighet (μs) | Flödes hastighet av ar (SCCM) | Flödes hastighet på N2 (SCCM) |
| TI-skiktet | 250 | 90 | 20 | - |
| Tenn-skiktet | 300 | 1000 | 30 | 1,5 |
Tabell 1: villkor för beredning av TI och Tin. HiPIMS parametrar för avsättning av TI och TiN lager på en kisel rån.
Figur 1: provets utseende. Beredning av ett 2 cm x 2 cm prov av (a) en kisel wafer, (b) Tin/si, och (c) au dnfs/Tin/si. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: SEM-bilder av prover. SEM overhead och tvärsnitts vyer av au DNFs deponeras på tenn/si substrat på (a och b) 0 min; (c och d) 1 min; (e och f) 3 min; (g och h) 5 min; (i och j) 10 min; (k och l) 15 min. vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: elementär analys. EDS-spektrum av (a) Tin/si och (b) au Dnfs/Tin/si. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: au DNF tjocklek. Tjock leken på Au DNFs på TiN/si-substrat vid olika syntes gånger (n = 10) vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: XRD-mönster för prover. XRD mönster av au DNFs på TiN/si-substrat vid olika syntes gånger. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denna studie, au DNFs med flera gren storlekar var dekorerade på ytan av TiN/si med hjälp av FAGRR. Nedfallet av au DNFs kan direkt identifieras genom en betydande förändring i färg. Tjock leken på Au DNFs på TiN/si ökade till 5,10 ± 0,20 μm inom 15 min, och denna ökning av tjocklek kan uttryckas med hjälp av följande linjära ekvation: y = 0,296t + 0,649, där tiden varierade från 1 till 15 min.
I FAGRR påverkas metall nedfallet av lösningens sammansättning och pH23. Beläggnings graden ökar med densiteten av substrat ytans defekter. Tjock leken på TiN-skiktet minskar när ersättnings reaktions tiden ökar. Det är lätt att ta bort au DNFs från TiN/si substrat om tjock leken på Au DNFs är tjock nog.
Galvanisk deplacement reaktion är mer gynnsam för en metall med en högre Redox potential23. I denna studie, den föreslagna facile och snabb elektroless deposition process ger en genomförbar metod för att förbereda au/Tin/si kompositer som kan användas som synligt ljus fotokatalysatorer21,22. Med hjälp av samma protokoll, är det också möjligt att tillverka au DNFs på andra substrat, såsom TiN/SiO2/si, Tin/glas, Tin/Ito, och Tin/FTO, för applikationer i framtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av ministeriet för vetenskap och teknik, Taiwan, under kontrakts nummer mest 105-2221-E-492-003-MY2 och de flesta 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).
