Yöntem makalesi

Vakum Isıl Buharlaşma yoluyla bizmut Nanotel Array Çekirdeksiz Büyüme

8.1K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/53396

⸱

21 Aralık 2015

 ,  , 
1Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory

Bu makalede

Özet

Bizmut nanotel dizilerinin vakumlu termal buharlaştırma tekniği ile çekirdeksiz ve yüksek verimli büyümesi için bir protokol sunulmuştur.

Özet

Burada çekirdeksiz ve şablon serbest teknik, oda sıcaklığında yüksek vakum termal buharlaşma yoluyla, bizmut nanotelleri büyümesi ölçeklenebilir şekilde ortaya konulmaktadır. Geleneksel metal ince filmler, termal buharlaşma mevduat imalatı için bizmut taze magnetron sıçratma veya termal buharlaştırma yoluyla yatırılır oda sıcaklığında tutulan vanadyum düz ince film üzerinde dikey tek kristal nanotellerinin bir diziye saklıdır. Büyüme alt-tabaka sıcaklığının kontrol edilmesiyle nanotellerinin uzunluğu ve genişliği, geniş bir aralık içinde ayarlanabilir. Bu roman tekniği Sorumlu daha önce bilinmeyen bir nanotel büyüme mekanizması olduğunu vanadyum ince filmin hafif gözeneklilik kökleri. Vanadyum gözenekleri içine sızmış, bizmut etki (~ 1 nm) erime noktasını bastırır aşırı yüzey enerji taşıyan ve sürekli nanoteller oluşturmak için vanadyum matrisi onları ihraç etti. Bu keşif ölçeklenebilir buhar fazı synth fizibilitesini göstermektediryüksek saflıkta ESIS herhangi katalizörler kullanmadan nanomateryaller.

Giriş

Nanoteller bir boyutta yük taşıyıcılarının ve fotonlar gibi diğer quasi ve plazmonları taşınmasını sınırlandırmak. Buna göre, nanoteller genellikle mikro / nano elektronik, fotonik, biyomedikal, çevre ve enerji ile ilgili teknolojiler uygulamalar için onlara neredeyse sonsuz bir potansiyel hibe roman, elektriksel, manyetik, optik ve kimyasal özellikleri, sergiler. 1,2 Geçtiğimiz yirmi yılda, çok sayıda yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya yaklaşımlar bu gelişmelere rağmen laboratuvar ölçeğinde. 3-6 yüksek kaliteli metal veya yarı iletken nanotellerinin geniş bir sentez için geliştirilmiştir, her yaklaşımın başarısı için nihai ürünün belirli özgün özelliklerine dayanır. Örneğin, popüler buhar-sıvı-katı (VLS) yöntemi, tellerin sentezi daha yüksek erime noktasına sahip ve katalitik "tohum" karşılık gelen ötektik alaşım oluşturmak. 7 Sonuç olarak yarı iletken malzeme için daha iyi bir uyumözel ilgi malzeme mevcut tekniklerle kapsamında olmayabilir.

Küçük dolaylı bant üst üste (0 K -38 meV) ve alışılmadık hafif yük taşıyıcılarının bir semimetal gibi, bizmut böyle bir örnektir. Onun toplu göre malzeme kuantum hapsi dar band aralığı yarı iletken içine bizmut nanoteller veya ince filmler dönüşebilir olarak. 8-12 arada, bizmut formların yüzeyine bir yarı-iki boyutlu metal, azaltılmış boyutta kökten farklı davranır onun toplu önemli ölçüde daha fazla metaldir. Bu 13,14 bizmut yüzeyi 2 x 10 4 cm2 V -1 sn-1 bir elektron hareketliliği elde ve nanotel formunda olan, termoelektrik gücüne büyük katkı gösterilmiştir. 15 'i Böyle, elektronik ve özellikle termoelektrik uygulamalarda bizmut nanoteller okuyan önemli çıkarları vardır. 12-16 Ancak, çok düşük 's bizmut nedeniyleoksidasyon için erime noktası (544 K) ve hazır, yüksek kaliteli ve geleneksel buhar fazı veya çözelti fazı teknikleri kullanılarak tek kristal bizmut nanoteller sentez bir sorun olmaya devam etmektedir.

Daha önce, bu tek kristal bizmut nanotellerdir filminde stres serbest atfedilir bizmut ince film, vakum depolanması sırasında düşük verim büyümesi bir kaç grup tarafından rapor edilmiştir. 17-20 En son olarak, bir roman keşfettik Yüksek vakum altında bizmut termal buharlaştırma kullanır ve yüksek bir verimlilik ile, tek kristalli bir bizmut nanotellerinin büyütülebilir oluşmasına yol açan bir teknik. 21, daha önce kıyasla yöntemleri rapor, bu tekniğin en benzersiz özelliği büyütme alt-tabaka taze kaplanmış olmasıdır birikmesini bizmut öncesinde nano-gözenekli vanadyum ince bir tabaka ile. Sonrakinin termal buharlaşma sırasında, bizmut buhar minibüsün nano-gözenekli yapısı sızıyorAdium'u film ve nanodomains orada yoğunlaşır. Vanadyum yoğunlaştırılmış bizmut ile ıslatılmış olmadığından, infiltre alanları sonradan yüzey enerjisini serbest bırakmak için vanadyum matrisinden expulsed edilir. Dikey bizmut nanoteller oluşturan bizmut nanodomains sürekli sınırdışı olduğunu. Bizmut etki çaplarda sadece 1-2 nm olduklarından oda sıcaklığında onları neredeyse erimiş hale önemli erime noktası bastırma, tabidir. Bunun bir sonucu olarak, oda sıcaklığında büyümesi nanotellerin düzenlenen alt-tabaka ile devam eder. Öte yandan, bizmut etki göçü, termal olarak aktif hale gelir, nanotellerinin uzunluğu ve genişliği, sadece büyütme alt-tabakası sıcaklığı kontrol edilerek geniş bir aralık üzerinde ayarlanabilir. Bu ayrıntılı video protokol alanına yeni uygulayıcıları bir yüksek vakum, oksijensiz ortamda ince filmlerin fiziksel buhar biriktirme ile ilgili çeşitli ortak sorunlardan kaçınmak yardımcı olmak için tasarlanmıştır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Dikkat: Kullanmadan önce ilgili tüm malzeme güvenlik bilgi formlarını (MSDS) danışın. Nanomalzemeler onların toplu meslektaşı ile karşılaştırıldığında ek tehlikeler olabilir. Mühendislik kontrolleri (davlumbaz) ve kişisel koruyucu ekipman kullanımı dahil, nano malzeme kaplı yüzeylerde işlerken tüm uygun güvenlik uygulamalarını kullanın (koruyucu gözlük, eldiven, laboratuvar önlüğü, tam uzunlukta pantolon, ayakkabı-toe kapalı).

1. Hazırlık Çalışmaları

  1. Buhar biriktirme sisteminin hazırlanması
    1. Atmosfer basıncına biriktirme bölmesi Vent ve bölmeye açılır. Havalandırma otomatik olarak atmosfer basıncına bölmeyi delik bir dizi başlıyor kontrol yazılımı arayüzü, "Start PC Havalandırma" düğmesine basarak yapılır. Atmosfer basıncı ön erişen kapıyı çekerek odasına açmak ulaşan.
    2. Termal buharlaşma elektrot çifti arasında bir tungsten buharlaştırma tekne (alüminyum oksit kaplamalı) monte edin. 1 yerleştirinbuharlaşma tekne içine g bizmut pelet.
    3. Magnetron püskürtme kaynağına vanadyum püskürtme hedefi monte edin. Bir püskürtme kaynağı ile donatılmamış yerleştirme sistemi için) 1.1.4 adıma bakınız.
    4. (Isteğe bağlı, bir püskürtme kaynağı ile donatılmamış yerleştirme sistemi için) ısı buharlaştırma elektrot çifti arasında bir tungsten buharlaştırma tekne monte edin. Buharlaşma tekneye 0.5 g vanadyum salyangozlar yerleştirin.
    5. Birikim sisteminin elektrik besleme oluğu için kapalı döngü sıcaklık kontrolörünün (sıcaklık probu için ısıtma / soğutma gücü için iki ve iki) mini muz konnektörlerini bağlayın.
  2. Büyütme alt-tabakalarının hazırlanması
    Not: bizmut nanotellerinin oluşumu seçimi büyüme yüzeye karşı duyarsızdır. Benzer sonuçlar cam slayt, silikon ya da sac elde edilmiştir. Bu alt-tabaka buhar hemen önce temizlenmelidir yazarlar tarafından önerilenÇöktürme işlemi, vanadyum alt-tutarlı bir yapışma elde etmek amacıyla. Plazma temizleme ve ıslak kimyasal temizlik dahil olmak üzere çeşitli alt tabaka temizleme teknikleri, uygulamalı ve benzeri sonuçlara yol olabilir.
    1. Oksijen plazma tarafından büyüme yüzeylerde temizleme
      1. Bir plazma süpürge içine büyüme substratları yerleştirin ve 10 mTor baz basıncına renkli "ON VAC" tuşuna basarak, odayı pompa.
      2. Oksijen Gaz vanasını açın ve ön paneldeki düğmeye "ON GAZ" tuşuna basarak odasına oksijen gazı tanıtmak ve bir odacık basıncı korumak için "incr" ve gaz debisi kontrolü için "DECR" düğmelerine basarak akış hızını ayarlamak yaklaşık 100 mTorr.
      3. Güç kontrolü için "incr" ve "DECR" tuşlarına basarak 20 W plazma gücünü ayarlamak ve düğmeye "ON RF" tuşuna basarak plazmayı tutuşturmak.
      4. Tuşuna basarak plazma kapatmadan önce 5 dakika bekleyin "RF AÇIK ALİN "renkli". Butonuna basarak odasına havalandırın "ve yüzeyler almak.
    2. Islak kimyasal yöntemle büyüme yüzeylerde temizleme
      1. Bir beher içinde bulunan aseton büyüme substratları daldırın. Bir ultrasonikatör içine behere koyun ve maksimum güçte 2 dakika süreyle sonikasyon.
      2. Kaptan tabakaları çıkarın ve 30 saniye için bir yıkama şişesinden mutlak alkol akımı ile yıkayın.
      3. Azot gazı akımı içinde alt tabakaların kurutun.
  3. Yüzey yükleme ve biriktirme sistemi pompalama
    1. Alt tabaka tutucuya yüzey sıcaklığı kontrol düzeneğini takın.
    2. Peltier soğutucusu / ısıtıcı montaj üstüne büyüme yüzeylerde monte etmek için yay klipleri kullanın.
    3. Çökelme kaynaklarının bakacak substratlar ile buhar biriktirme odasına tamamen monte substrat tutucu monte edin. Elektrik beslemesi kullanın iletişimePeltier soğutucu / ısıtıcı montaj.
    4. Substrata kasıtsız birikimini önlemek için substrat deklanşörü kapatın.
    5. Biriktirme haznesi aşağı pompalama başlayın. Pompalama otomatik olarak baz basıncına bölmeyi pompası bir dizi başlıyor kontrol yazılımı arayüzü, "PC pompalama Başlat" düğmesine basarak yapılır.

Bizmut Nanotel 2. Büyüme

Not: biriktirme odasının taban basıncı altında 2 × 10 -6 Torr ya ulaşana kadar deney sonraki adıma hareket etmiyor.

  1. Vanadyum alt-çökelmesi
    Not: vanadyum alt-magnetron püskürtme yöntemi ile yatırılır zaman en iyi deneysel tekrarlanabilirlik elde edilir. Bir püskürtme kaynağı yokluğunda, yüksek bir tekrarlanabilirliği de yine termal buharlaştırma yöntemi kullanılarak vanadyum bir alt tabaka yerleştirilmesi ile elde edilebilir, yerleştirme sistemi ha koşuluylasa düşük baz basıncı (≤ 5 × 10 -7 Torr). Ayrıntılar için 3.1.2 adıma bakın.
    1. Bir magnetron püskürtme kaynağı ile Vanadyum çöktürme.
      1. Püskürtme kaynağı Argon akışı başlatın. 40 sccm'lik ayarlayın akış hızı.
      2. 2.5 mTor bir oda basıncı için turbomoleküler pompanın devrimi hızını ayarlayın.
      3. Bölme yavaş yavaş kararlı durum basıncı ulaşan iken, QCM kalınlık kalibrasyon faktörleri ayarlayın. Vanadyum için, yoğunluk 5.96 g / cm3 olan ve Z-faktör 0.530 olan.
      4. DC sıçratma kaynağı açın ve yazarlar tarafından işletilen birikim sistemi için 200-250 W gücü ayarlamak, çökelme hızı bu güçte yaklaşık 0.4 A / sn dir. Yüzey çekim açmadan, 2 dakika süreyle çalışan kaynak tutun.
        NOT: vanadyum kaynağı yerli oksit taze vanadyum yüzeyini açığa çıkarılır, bu adımı sayesinde.
      5. Vanadyum depositio başlatmak için substrat deklanşörü açınn. Bu arada, sıfır QCM birikmiş kalınlığı sıfırlayın.
      6. 20 nm'lik bir gözle görülür kalınlığı QCM Her bir okuma için, tamamlanıncaya kadar birikmesini devam edin. Alt tabaka deklanşörü kapatın.
      7. Yavaş yavaş sıfıra püskürtme gücünü azaltır. Kapalı kaynağını açın.
      8. Argon akışını kapatın. Tam güç turbomoleküler pompayı dönün.
    2. Termal buharlaştırma kaynağı ile Vanadyum birikimi (bir püskürtme kaynağı ile donatılmış değildir biriktirme sistemi, opsiyonel).
      1. Nedeniyle vanadyum yüksek erime noktasına (1910 kadar ° C) ve oksidasyona hazır, bu termal buharlaştırma 5 x 10 -7 Torr ya da daha düşük bir taban basıncı altında olmak önerilir.
      2. QCM kalınlık kalibrasyon faktörleri belirleyin. Vanadyum için, yoğunluk 5.96 g / cm3 olan ve Z-faktör 0.530 olan.
      3. Vanadyum kaynağı termal buharlaştırma güç kaynağı açın.Vanadyum salyangozlar eriyene kadar yavaşça tungsten tekne ısıtma gücünü artırmak.
      4. Yüzey deklanşör kapalı tutulurken, yavaş yavaş QCM okuma başına elde edilir 2 Å / sn biriktirme oranı kadar ısıtma gücünü artırmak. Vanadyum birikimi başlatmak için substrat deklanşörü açın. Bu arada, sıfır QCM birikmiş kalınlığı sıfırlayın.
      5. 50 nm'lik bir gözle görülür kalınlığı tamamlanıncaya kadar birikmesini devam edin. Alt tabaka deklanşörü kapatın.
      6. Yavaş yavaş sıfıra termal buharlaştırma gücü azalır. Kapalı kaynağını açın.
  2. Bizmut nanotellerinin depozisyon
    1. Üstünde veya oda sıcaklığında altındaki bir sıcaklıkta bizmut birikimi için, sıcaklık kontrol istenen değeri ayarlayın. İstenilen sıcaklığa ulaşıldığında kadar bekleyin.
    2. QCM kalınlık kalibrasyon faktörleri belirleyin. Bizmut için, yoğunluk 9.78 g / cm3 olan ve Z-faktörü 0,790 olan.
    3. Termal buharlaştırma gücüne su açınbizmut kaynağına pply. Yavaşça QCM okuma başına elde edilir 2 Å / sn çökelme oranı kadar tungsten tekne ısıtma gücünü artırmak.
    4. Bizmut birikimi başlatmak için substrat deklanşörü açın. Bu arada, sıfır QCM birikmiş kalınlığı sıfırlayın.
    5. 50 nm'lik bir gözle görülür kalınlığı tamamlanıncaya kadar birikmesini devam edin. Alt tabaka deklanşörü kapatın.
    6. Yavaş yavaş sıfıra termal buharlaştırma gücü azalır. Kapalı kaynağını açın.
    7. Termal elektrik soğutucu / ısıtıcı güç kaynağını kapatın.
    8. Atmosfer basıncına biriktirme bölmesi Vent ve bölmeye açılır. Yüzey tutucu almak ve bizmut nanotellerin kaplı yüzeylerde toplamak.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Magnetron püskürtme ve termal evaporasyon usullerle oluşturulan vanadyum underlayers kesit SEM görüntüleri Şekil 2. Tarama elektron mikroskopi (SEM) görüntülerinin farklı alt-tabaka sıcaklıklarda oluşan bizmut nanotellerin (Şekil 3) için sunulmuştur sunulmaktadır. Bizmut nanotellerinin kristal yapısı, transmisyon elektron mikroskopisi (TEM), selektif alanı elektron difraksiyonu (SAED), ve X-ışını kırınımı (XRD) çalışmaları (Şekil 4) aracılığıyla belirle...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Bizmut nanotellerinin büyümesi en az iki yerleştirme kaynakları, vanadyumun bizmut için tek ve birbirleri ile fiziksel buhar çöktürme sistemine yapılacak olan. Bu kaynaklardan bir vanadyum biriktirilmesi için bir magnetron püskürtme kaynağı olması tavsiye edilir. Yüksek vakum kuru kaydırma pompası tarafından desteklenen bir turbomoleküler pompalar ile sağlanır. Buhar biriktirme sistemi yerinde kalınlığı izleme için ayarlanmış bir kuartz kristal mikro (QCM) ile donatılmıştır. Buhar biriktirme sistemi bü...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

Araştırma, Brookhaven Ulusal Laboratuvarı, Fonksiyonel Nanomalzemeler Merkezi'nde, ABD Enerji Bakanlığı, Temel Enerji Bilimleri Ofisi tarafından Sözleşme No'lu olarak desteklenmektedir. DE-SC0012704.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
BizmutSigma-Aldrich556130Granül, %99.999
Vanadyum Sümüklü BöcekAlfa Aesar428293.175  mm (0.125  içinde) çap x 6.35  mm (0.25  inç) uzunluk,% 99.8
Vanadyum Püskürtme HedefiKurt J. LeskerEJTVXXX253A23.00" Çap x 0.125" Kalınlık,% 99.5
AsetonSigma-Aldrich179124>99.5
EtanolAlfa Aesar33361Susuz
Silikon GofretÜniversite Gofretleri300 mikron kalınlığında, (100) oryantasyon
Gümüş Dolgulu EpoksiDevre İşleriCW2400İki parçalı iletken epoksi reçine
Tungsten Tekne, Alümina KaplıRD MathisS9B-AO-WBizmut termal buharlaşma için
Tungsten TekneRD MathisS4-.015WVanadyum termal buharlaşma için
RIE PlazmaNordson MartCS-1701
PVD 75 Buhar Biriktirme PlatformuKurt J. LeskerPEDP75FTCLT001Üç termal buharlaşma kaynağı ve bir DC magnetron püskürtme kaynağı ile donatılmıştır
Termoelektrik Sıcaklık Kontrol CihazıLairdTechMTTC-1410
PT1000 RGDLairdTech340912-01MTTC-1410
Termoelektrik ModülLairdTech56910-502
UltrasonicatorCrest UltrasonikTru-Süpürme 175
% için Sıcaklık Sensörü

Kaynaklar

  1. Hu, J. T., Odom, T. W., Lieber, C. M. Chemistry and physics in one dimension: Synthesis and properties of nanowires and nanotubes. Acc. Chem. Res. 32, 435-445 (1999).
  2. Akimov, A. V., et al. Generation of single optical plasmons in metallic nanowires coupled to quantum dots. Nature. 450, 402-406 (2007).
  3. Thurn-Albrecht, T., et al. Ultrahigh-density nanowire arrays grown in self-assembled diblock copolymer templates. Science. 290, 2126-2129 (2000).
  4. Xia, Y. N., et al. One-dimensional nanostructures: Synthesis, characterization, and applications. Adv. Mater. 15, 353-389 (2003).
  5. Gudiksen, M. S., Lauhon, L. J., Wang, J., Smith, D. C., Lieber, C. M. Growth of nanowire superlattice structures for nanoscale photonics and electronics. Nature. 415, 617-620 (2002).
  6. Yang, P. D., et al. Controlled growth of ZnO nanowires and their optical properties. Adv. Funct. Mater. 12, 323-331 (2002).
  7. Allen, J. E., et al. High-resolution detection of Au catalyst atoms in Si nanowires. Nature Nanotech. 3, 168-173 (2008).
  8. Lin, Y. M., Sun, X. Z., Dresselhaus, M. S. Theoretical investigation of thermoelectric transport properties of cylindrical Bi nanowires. Phys. Rev. B. 62, 4610-4623 (2000).
  9. Isaacson, R. T., Williams, G. A. Alfvén-Wave propagation in solid-state plasmas. III. Quantum oscillations of the Fermi surface of bismuth. Phys Rev. 185, 682-688 (1969).
  10. Sandomirskii, V. B. Quantum size effect in a semimetal film. Sov. Phys. JETP. 25, 101-106 (1967).
  11. Huber, T. E., Nikolaeva, A., Gitsu, D., Konopko, L., Graf, M. J. Quantum confinement and surface-state effects in bismuth nanowires. Physica E. 37, 194-199 (2007).
  12. Black, M. R., Lin, Y. M., Cronin, S. B., Rabin, O., Dresselhaus, M. S. Infrared absorption in bismuth nanowires resulting from quantum confinement. Phys. Rev. B. 65, 2921-2930 (2002).
  13. Hofmann, P. The surfaces of bismuth: Structural and electronic properties. Prog. Surf. Sci. 81, 191-245 (2006).
  14. Huber, T. E., et al. Confinement effects and surface-induced charge carriers in Bi quantum wires. Appl Phys Lett. 84, 1326-1328 (2004).
  15. Huber, T. E., et al. Surface state band mobility and thermopower in semiconducting bismuth nanowires. Phys. Rev. B. 83, 235414-23 (2011).
  16. Dresselhaus, M. S., et al. 23, 129-140 (2003).
  17. Cheng, Y. -T., Weiner, A. M., Wong, C. A., Balogh, M. P., Lukitsch, M. J. Stress-induced growth of bismuth nanowires. Appl Phys Lett. 81, 3248-3250 (2002).
  18. Volobuev, V. V., et al. The mechanism of Bi nanowire growth from Bi/Co immiscible composite thin films. J. Nanosci. Nanotech. 12, 8624-8629 (2012).
  19. Shim, W., et al. On-film formation of Bi nanowires with extraordinary electron mobility. Nano Lett. 9, 18-22 (2009).
  20. Berglund, S. P., Rettie, A. J. E., Hoang, S., Mullins, C. B. Incorporation of Mo and W into nanostructured BiVO4 films for efficient photoelectrochemical water oxidation. Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 7065-7075 (2012).
  21. Liu, M., et al. Surface-Energy Induced Formation of Single Crystalline Bismuth Nanowires over Vanadium Thin Film at Room Temperature. Nano Lett. 14, 5630-5635 (2014).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Bizmut NanotellerVakum BiriktirmeVanadyum Altl kAltl k S cakl KontrolTaramal Elektron MikroskobuGe irimli Elektron MikroskobuEnerji Da l ml X I n SpektroskopisiMagnetron S ratmaKuvars Kristal Mikroterazi

İlgili makaleler