Kimyasal Çözüm Biriktirme tarafından Silisyum üzerinde Makrogözenekli Epitaksiyel Kuvars Filmlerin Hazırlanması

Özet

Havada daldırma kaplama ve ısıl işlemler kullanılarak çözelti kimyası ile silikon üzerinde piezoelektrik makro gözenekli epitaksiyel kuvars filmlerinin hazırlanması için bir protokol sunulmuştur.

Özet

Bu çalışma, silikon(100) substratlar üzerinde piezoelektrik, makro gözenekli epitaksiyel kuvars filmlerin hazırlanması için ayrıntılı protokolü açıklamaktadır. Bu, tek kaplı bir sentezde bir solün hazırlanmasına dayanan üç aşamalı bir işlemdir, ardından daldırma kaplama tekniği kullanılarak buharlaşma ile indüklenen kendi kendine montaj yoluyla Si(100) substratları üzerinde bir jel filmin biriktirilmesi ve jel kristalleşmesini ve kuvars filmin büyümesini indüklemek için malzemenin ısıl işlemiyle sona erer. Bir silika jelin oluşumu, bir tetraetil ortosilikat ve HCl tarafından katalize edilen suyun etanol içinde reaksiyonuna dayanır. Bununla birlikte, çözelti, Si üzerine daldırılmış bu silika jellerden mezogözenekli epitaksiyel kuvars filmlerin hazırlanması için gerekli olan iki ek bileşen içerir. Sr²⁺ gibi alkali toprak iyonları, silikanın kristalleşmesini kolaylaştıran cam eritme maddeleri olarak işlev görür ve setil trimetilamonyum bromür (CTAB) amfifilik şablon ile kombinasyon halinde, filmlerin makro gözenekliliğinden sorumlu bir faz ayrımı oluşturur. Kuvars ve silikon hücre parametreleri arasındaki iyi eşleşme, kuvarsın diğer_SiO2 polimorfları üzerinde stabilizasyonunda da gereklidir ve epitaksiyel büyümenin kökeninde yer alır.

Giriş

Α-kuvars gibi bir piezoelektrik materyal, gerilim önyargı gönderildiğinde mekanik bir deformasyona maruz kalır. Bu malzeme gözenekli ise, bu hacim değişiklikleri biyolojik organelleri yaşayan görülebilir ne benzer bir yanıt sistemi oluşturarak, gözenek genişleme veya daralma neden olabilir. ¹ Deforme gözenekli α-kuvars mikroüretim, ² kullanılarak üretilmiştir ancak bu tür teknikler henüz yapamam 3-D gözenek yapıları üretmek ve gözenek çapları nanometre yüzlerce sipariş vardır. Yapılandırılmış amorf silisin kristalleştirilmesi sonucu kabalaşması ve erime, yüksek yüzey enerjileri ve mimari deformasyon nedeniyle, homojen olmayan bir nükleasyon yoluyla engellenmiştir. Tüm silika biçimleri son derece kararlı SiO ₄ tetrahedral ağ örgüleri üzerine inşa edilmiş olması sebebi ile, amorf silika, α-kuvars ve _SİO2 polimorfların oluşumu enerjileri geniş bir sıcaklık aralığında, makin hemen hemen eşitg zor bir amorf silis jel kristalleşme tek bir polimorf olarak α-kuvars üretmek için. ³ yapılandırılmış amorf silis kontrollü kristalleşme kuvars nispeten yavaş çekirdeklenme oranını ama son derece hızlı bir büyüme oranı sunar olduğunu zor kılan bir başka yönü, 10-94 nm arasında bildirilmektedir / sn. Hızlı büyüme ile birleştiğinde ^4,5 Yavaş çekirdeklenme böylece orijinal morfoloji kaybolur orijinal nano-gözenekli yapısı, çok daha büyük kristalleri oluşturmak eğilimindedir. Na ^{+ ve Li} + gibi alkali metaller, sıklıkla hidrotermal tedavisi ile kombinasyon halinde, α-kuvars kristalleşmeye kullanılmıştır. ^5,6 Ayrıca, Ti ^{4 +} / ^Ca2 + kombinasyonu halinde silis küresel parçacıklar kristalize için kullanılmıştır Silikon alcoxides kullanarak yumuşak kimya yoluyla kuvars. ⁷ Ancak, kuvars bir yapısal amorf silis filmin kontrollü kristalleşme meydan kalmıştır.

en son, stronsiyum ortam basıncı ve nispeten düşük sıcaklıklarda, nükleasyon ve kristalin SiO ₂ büyümesini katalize etmek için bulunmuştur. ^8,9 Epitaksi, α-kuvars ve <100> silikon substrat arasında iyi uyumsuzluğundan kaynaklanan, odaklı piezoelektrik ince filmler üreten. Buharlaşma ile indüklenen montajı çok gözenekli silis filmlerin üretilmesi için ^{1999, 10,} çünkü bu teknik, çalışılmış ve değişken boyutları ve mezofazlar gözenekleri üretmek için çeşitli koşullar altında şablon ajanlar çok sayıda tatbik kullanılmıştır. Bu mezogözenek boyutunda subnanometric değişiklikler yapısını gözenek bu geniş ilgi doğrulayarak, gözenekli sistemleri ¹¹ ile çözünen difüzyon üzerinde önemli bir etkiye sahip olabileceği bulunmuştur. Ayrıca, iç silika, gözenek sistemine erişim şablonunun misel faz kontrol edilmesiyle elde edilebilir. ¹²

Burada, sentez yolu that yeni bir faz ayrılması gösterilmiştir kullanılarak amorf silis katmanların kalınlığı ve gözenek boyutu üzerinde benzersiz bir kontrol sağlar. Bu filmler ¹³ çevre basıncında hava altında 1000 ° C'de Sr (II) tuzları ve kristalize etmek a-kuvars ile infiltre edilmiştir. Bu kristalleştirme işlemi kullanılarak retainable gözenek boyutu belirlenir ve duvar kalınlığı ve film kalınlığının etkisi incelenmiştir. Nihayet piezoelektrik ve gözenek sistemi deformabilitesinin incelenmiştir.

Protokol

Sol 1. Hazırlık

1. Prehydrolyzed tetraetil ortosilikat (TEOS), bir laboratuar dengesi ve bir manyetik karıştırıcı yerleştirilmiş olan bir çeker ocak içinde bir jel hazırlanması önceki gün bir çözelti hazırlayın. Protokolde Bu aşamada ve boyunca laboratuvar önlüğü, eldiven ve koruyucu gözlük kullanın.
   1. Teflon kaplı manyetik karıştırma çubuğu CTAB 1,68 g ağırlığında içeren 50 ml'lik bir cam kaba, bir izleme camı ile kaplayın, beher 48,13 ml etanol ve HCl 35% 3.00 ml ilave edilir ve CTAB tamamen eriyene kadar karıştırılır.
   2. Beher damla damla TEOS 7,37 ml ilave karıştırılırken, bir izleme camı ile şişesi kapak ve / O N karışmaya izin (yaklaşık 1-2 arasında bir oranda saniyede damlaları) bulunmaktadır.
2. Bir sonraki gün, Sr ²⁺ bir 1 M sulu çözelti hazırlayın. Bir yaşlı bir çözüm Sr tuz yeniden yağış eğilimli olduğundan sadece jel filmlerin hazırlanması önce aşağıdaki adımları uygulayın.
   1. 6,6 tartınSRCL ₂ 654 g · 25 ml'lik bir volumetrik şişe içine 6H ₂ O.
   2. 25 ml (bir şişeye işaretine menisküs teğet) kadar ultra saf su (örneğin, Milli-Q) ekleyin ve bir plastik kap ile şişeyi kapatın ve yavaşça stronsiyum klorür eritmek için şişeyi sallayın.
3. / N O karışmaya bırakıldı sol ihtiva eden 50 ml'lik bir cam deney şişesine ^Sr2 + 1 M sulu solüsyonu 2 ml ilave edilir. 25 dakika boyunca solüsyon ilave edin.
4. Sonunda laboratuar güvenliği ve çevre koruma protokollerine göre üretildiğini artıkları imha ediniz.

2. Jel Film Biriktirme Si (100) Dayanaklar

1. Yüzeylerin Hazırlanması
   1. Bir elmas uç ile ya da gofret düz bir yönde paralel veya dik gofret bölünmesiyle 2 inç p-tipi 200 mikron kalınlığında (100) silikon yonga üzerinden 5 cm ile yaklaşık 2 cm Si döşeme Kesilmiş nesneyi keskin kenarlı. Reklamda bu adımı gerçekleştirinleme jel filmlerin çökeltilmesinden önce, örneğin bir gün.
   2. Sadece jellerin birikimi önce etanol ile yüzeylerin temizlenmesi ve onları kurumaya bırakın ya da kurumayı hızlandırmak için bir azot akımı veya sıkıştırılmış hava kullanın. Adım 1.3 tamamlanması için beklerken bu adımı gerçekleştirin.
2. Coat filmler. Homojen bir gözenek yapısı elde etmek için,% 20, oda sıcaklığında% 55 arasında nispi nem koşulları altında, bu adımı gerçekleştirmek.
   1. Bir daldırma kaplama dizisi oluşturun. Dikkate Si kütüğün gerçek uzunluğu ve beher çözelti düzeyi alarak ilk ve son pozisyonlar seçin öyle ki levha başlangıç ​​pozisyonuna çözelti seviyesinden en az 2 cm, alt yukarıda 1 cm olduğu daldırma sonunda beher. 150 mm / dak daldırma ve çekilme hızları hem de ayarlayın. Sıfır daldırma süresi (son konumda saat) olarak ayarlayın.
   2. Aşamanın tamamlanmasından 1.3 Yere kadar olan beher üzerinedip-kaplayıcı kolundan sarkan Si levha altında iyi merkezli pozisyonda dökülmesinden.
   3. Levhanın sağlanması yataya göre mümkün olduğu kadar dik olan, klipsli daldırmalı kaplayıcı koluna Si kütüğün bir ucunu sabitleyin.
   4. Daldırma kaplama dizisini yürütmek ve dip-kaplayıcı kolundan Si kütüğü ayırınız. Ek Si levhalarla adımları yineleyin 2.2.3 ve 2.2.4 çözümün istikrar tehlikeye olmadığından emin olmak için, 1 saat ötesinde, bu hazırlıklara uzatmak için özen fazla film üretmek.
3. Sonunda laboratuar güvenliği ve çevre koruma protokollerine göre üretildiğini çözümler bertaraf edin.

Termal Tedavi ile 3. Jel Film Kristalizasyon

1. Si jel filmlerin Isıl işlem (100).
   1. Program, bir fırın hava atmosferinde aşağıdaki ısıl işlem gerçekleştirmek için: ısıtma RT 1000 ° C'ye kadar 3 ° C / dakika ile, 1000 ° C'de tutarakC 5 saat boyunca 3 ° C / dakika ile oda sıcaklığına soğutma.
   2. Bir alüminyum tekne daldırma kaplı Si yüzeylerde yerleştirin fırında tanıtmak ve ısıl işlem yürütmek.
2. Kristalize filmlerin temizlenmesi.
   1. Kristalleşme sırasında film yüzeyine expulsed edilmiştir Sr birikimleri ²⁺ kaldırmak ve daha sonra etanol ile ilk iyonu giderilmiş su ile ve daha sonra film bunu durulamak amacıyla, konsantre HNO ₃ 3 saat boyunca kristalleştirildi filmler bırakın.

Sonuçlar

Malzeme sentezi ilerleme farklı yönlerini izlenmesi ile kontrol altına alındı. Daldırma kaplama işleminden sonra biri filmlerin yönünü, yeşil lazer ve Tarama Elektron Mikroskobu (SEM) geri saçılmış elektron modu (Şekil 1A-B) resim yansıyan noktada kırılma yapıların nihai görünümünü gözlemleyebilirsiniz. Kristalizasyon prosesi sonra Atomik Kuvvet mikroskopisi (AFM) topoğrafik görüntüler (Şekil 1C) ve α-kuvars film arasındaki epitaksiyel ilişkileri (α-S gö...

Tartışma

Sunulan yöntem Si makrogözenekli kuvars filmler üretmek için aşağıdan yukarıya bir yaklaşımdır. Kuvars filmlerin üretimine ilişkin standart metoda göre, bir üst aşağı doğru teknolojisi ile kontrol edilebilir 150 ve 450 nm arasında kalınlıkları daha ince filmleri kesme ve büyük hidrotermal Büyüyen kristallerin parlatma, protokolde tarif edilen yöntem elde edilmesine izin verir göre Para çekme oranı. Kuvars filmlerin kalınlığı, ve piezoelektrik yanıt kontrolü ile ilgili tüm deneysel ayrıntıları referans ^8,13 ra...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Daldırma kaplayıcı	Nadetech	ND-DC 11/150
Fırın	Nabertherm	R 50/250/12
Atomik Kuvvet Mikroskobu	Agilent	5500 LS
Silikon gofretler	SHE Europe Ltd.
SrCl2· 6H2O	Aldrich	13909
CTAB	Aldrich	H5582
Etanol Mutlak	Aldrich	161086
HCl %35 çözelti	PanReac	721019
TEOS	Aldrich	131903