Summary
Denne undersøgelse præsenterer en gennemførlig procedure for syntese af guld dendritiske nanoskove på titanium nitrid/silicium substrater. Tykkelsen af guld dendritiske nanoskove stiger lineært inden for 15 minutter af en syntese reaktion.
Abstract
I denne undersøgelse anvendes et højeffekt impuls magnet Tron sputerings system til at belægge en flad og fast Titan nitrid (TiN) film på silicium (SI) wafers, og en fluorid assisteret galvanisk udskiftnings reaktion (FAGRR) er ansat til hurtig og nem aflejring af guld og dendritiske nanoskove (AU Dnf'er) på TiN/si-substrater. Scanning elektronmikroskopi (SEM) billeder og energi-dispersive X-ray spektroskopi mønstre af TiN/si og AU DNFs/TiN/si prøver validere, at synteseprocessen er nøjagtigt kontrolleret. Under reaktions forholdene i dette studie stiger tykkelsen af AU Dnf'erne lineært til 5,10 ± 0,20 μm inden for 15 minutter efter reaktionen. Derfor er den anvendte syntese procedure en enkel og hurtig metode til forberedelse af AU DNFs/TiN/si kompositter.
Introduction
Guld nanopartikler har karakteristiske optiske egenskaber og lokaliserede overflade Plasmon resonanser (lsprs), afhængigt af størrelsen og formen af nanopartiklerne1,2,3,4. Desuden, guld nanopartikler kan signifikant forbedre plasmonic fotoalytiske reaktioner5. Dendritiske nanoskove stablet ved hjælp af guld nanopartikler har fået betydelig opmærksomhed på grund af deres bemærkelsesværdige specifikke overfladeområder og robust lspr ekstraudstyr6,7,8,9 ,10,11,12,13.
TiN er et ekstremt hårdt keramisk materiale og har en bemærkelsesværdig termisk, kemisk og mekanisk stabilitet. TiN har karakteristiske optiske egenskaber og kan bruges til plasmonic applikationer med synligt-til-nær-infrarødt lys14,15. Forskning har vist, at TiN kan producere elektromagnetiske felt forbedringer, svarende til AU nanostrukturer16. Aflejring af kobber17 eller sølv18,19,20 på tin substrater til applikationer er blevet påvist. Der er dog kun blevet udført få undersøgelser på AU/TiN kompositmaterialer til applikationer. Shiao et al. har for nylig demonstreret potentielle anvendelser af AU DNFs/TiN kompositter til foto elektrokemiske celler21 og kemisk nedbrydning22.
AU kan syntetiseres på et TiN-substrat ved hjælp af en FAGRR23. Depositionen af AU Dnf'er på TiN er af afgørende betydning for applikationers ydeevne. Denne undersøgelse undersøger væksten af AU Dnf'er på et TiN-belagt si-substrat.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. forberedelse af prøver
-
TiN substrat forberedelse ved hjælp af et højeffekt impuls Magnetron sputtering system
- Skær en 4 tommer n-type silicium wafer i 2 cm x 2 cm prøver.
- Prøverne vaskes med acetone, isopropanol og deioniseret vand.
- Tør dem ved hjælp af en N2 spray i 5 min.
- De vaskede si-prøver anbringes i en prøveholder, og prøveholderen anbringes i et højeffekt impuls Magnetron sputtering (HiPIMS) kammer.
- Placer et titanium mål med en diameter på 4 inches på en sputtering katde.
- Reducer kammer trykket til mindre end 8 x 10-6 torr ved hjælp af en mekanisk pumpe og cryopump.
- Brug HiPIMS til at deponere et ti-lag på en silicium wafer og deponere et TiN-lag på ti-laget. Se tabel 1 for depositionsparametrene for ti-og tin-lag i hipims.
-
AU DNF klargøring på Tin/Si-substrater
- 24 ml af en reaktant opløsning, der består af 10 mm chloroauric syre (haucl4) og en bufferopløsning med buffer oxid, bestående af 11,4% NH4F og 2,3% HF i en Teflon-beholder, der måler 5 cm x 5 cm x 5 cm.
- Substraterne dyppes i blandingen i 3 min.
- Fjern prøven, og vask den med deioniseret vand.
- Prøven tørres ved hjælp af N2 -spray og inkube den derefter ved 120 °c i 5 minutter for at opnå AU Dnfs/Tin/Si-prøver.
- Gentag AU DNF-tilberedningen 10x.
2. stikprøveundersøgelse
-
Scanning af elektronmikroskopi analyser
- Skær prøven i 0,4 cm x 0,8 cm med en wolfram pen, og Rengør den ved hjælp af N2 spray.
- Coat en tynd PT film på prøven af en ion sputter Coater til 50 s.
- Den forberedte prøve anbringes i et instrument til scanning af elektronmikroskopi (SEM).
- Opnå SEM billeder ved scanning elektronmikroskop og gennemføre element analyse21,22.
-
Analyser af røntgen diffraktion
- Prøven anbringes i et XRD-instrument (X-ray diffraktion).
- Hent xrd Patterns21,22.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 afbilder billeder af de AU Dnf'er/Tin/Si-prøve præparater. Silicium waferen var sølvhvid (figur 1a). TiN/si var gylden gul og havde en homogen overflade (figur 1b), som indikerede den ensartede tinbelægning på silicium wafer. AU DNFs/TiN/si var gullig brun og mindre homogen på overfladen (figur 1c) på grund af den tilfældige fordeling af AU dnf'er.
Figur 2 præsenterer planen og tværsnits-SEM-billeder af AU dnf'er, der er deponeret på Tin/Si-substrater. TiN-laget havde en ensartet overflade (figur 2a), og tykkelsen af tin-laget var ca. 300 Nm (figur 2b). Ved 1 min. blev der observeret små AU-kerner overalt (figur 2c), hvoraf nogle udviklede sig til en stor kerne, der ligner en søpindsvin (figur 2D). En enkelt træ-lignende struktur blev dannet ved 3 min (figur 2E, f), og disse forgrening blev observeret for at overlappe ved 5 min (figur 2g, h). Ved 10 minutter dannede og dækkede AU DNFs hele TiN-laget (figur 2i, j). Ved 15 min. blev tætte AU Dnf'er dannet (figur 2k), og tykkelsen af dnf'erne nåede 5 μm (figur 2l).
Figur 3 viser analyseresultaterne for energi dispersive røntgen spektroskopi (EDS) af Tin/Si og AU Dnfs/Tin/Si. De anførte elementer blev aftalt med syntese proceduren. Desuden kunne de tydelige toppe bekræfte, at belægningen af TiN og syntesen af AU Dnf'er ikke var forurenet.
Figur 4 illustrerer variationen af AU Dnf'ers tykkelse på Tin/Si-substratet med fagrr-tid. Tykkelsen af AU Dnf'er steg lineært med syntese tiden. Den lineære ligning på tykkelsen og syntese tiden, som varierede fra 1 til 15 min, blev udtrykt som følger: y = 0,296t + 0,649.
Figur 5 viser xrd-mønstrene for prøver, der er fremkommet ved forskellige aflejrings tider. En stærk (111) orientering af AU toppe blev identificeret. De skarpe kubiske AU-mønstre, AU (111), AU (200), AU (220) og AU (311), blev aftalt med JCPDS 04-0784. Stigningen i AU-toppe med aflejrings tiden svarede til væksten i AU Dnf'er på TiN/si-substratet. På den anden side, TiN toppe, nemlig TiN (111), TiN (200), TiN (220), og TiN (311), var tydelige på 1 min deposition, enig med JCPDS 38-1420. Efter 1 minut forsvandt signalerne fra TiN gradvist, fordi TiN/si-substratet gradvist blev dækket af AU Dnf'er. Disse xrd resultater svarede til tidligere rapporter21,22.
| Substrat | JÆVNSTRØMS strøm W |
Impuls varighed (μs) | Strømningshastighed af ar (SCCM) | Strømningshastighed på N2 (SCCM) |
| Ti lag | 250 af | 90 af | 20 | - |
| TiN-lag | 300 af | 1000 af | 30 | 1,5 af |
Tabel 1: betingelser for forberedelse af ti og tin. HiPIMS-parametre for aflejring af ti-og TiN-lag på en silicium-wafer.
Figur 1: prøve udseende. Fremstilling af en prøve på 2 cm x 2 cm af (a) en silicium wafer, (b) Tin/Si og (c) AU dnfs/Tin/Si. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: SEM billeder af prøver. SEM overhead og tværsnit synspunkter af AU DNFs deponeret på TiN/si substrater på (a og b) 0 min; (c og d) 1 min; (e og f) 3 min; (g og h) 5 min; (i og j) 10 min; (k og l) 15 min. Klik venligst her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: elementært analyse. EDS-spektrum af (a) Tin/Si og (b) AU Dnfs/Tin/Si. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: AU DNF tykkelse. Tykkelsen af AU Dnf'er på TiN/si substrat på forskellige syntese tidspunkter (n = 10) Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: eksempler på XRD-mønstre. XRD-mønstre for AU Dnf'er på TiN/si-substrat på forskellige syntese tidspunkter. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I denne undersøgelse blev AU Dnf'er med flere forgrenings størrelser dekoreret på overfladen af TiN/si ved hjælp af FAGRR. Depositionen af AU Dnf'er kunne identificeres direkte ved en væsentlig ændring i farven. Tykkelsen af AU Dnf'er på TiN/si steg til 5,10 ± 0,20 μm inden for 15 minutter, og denne stigning i tykkelsen kan udtrykkes ved hjælp af følgende lineære ligning: y = 0,296t + 0,649, hvor tiden varierede fra 1 til 15 min.
I FAGRR påvirkes metal aflejringen af opløsningens sammensætning og pH23. Depositionsraten stiger med tætheden af substrat overfladedefekter. Tykkelsen af TiN-laget aftager, efterhånden som udskiftnings reaktionstid øges. Det er let at fjerne AU Dnf'er fra TiN/si-substrater, hvis tykkelsen af AU DNFs er tyk nok.
Galvanisk forskydnings reaktion er mere gunstig for et metal med et højere redox-potentiale23. I denne undersøgelse giver den foreslåede facile og hurtige elektro løse aflejrings proces en gennemførlig tilgang til forberedelse af AU/Tin/Si kompositter, som kan anvendes som synlige-lys foto katalysatorer21,22. Ved hjælp af samme protokol, er det også muligt at fabrikere AU Dnf'er på andre substrater, såsom TiN/SiO2/si, tin/Glass, tin/Ito, og tin/FTO, til applikationer i fremtiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af Ministeriet for videnskab og teknologi, Taiwan, under kontraktnumre de fleste 105-2221-E-492-003-MY2 og de fleste 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).
