Vakum Isıl Buharlaşma yoluyla bizmut Nanotel Array Çekirdeksiz Büyüme

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Liu, M., Nam, C. Y., Zhang, L. Seedless Growth of Bismuth Nanowire Array via Vacuum Thermal Evaporation. J. Vis. Exp. (106), e53396, doi:10.3791/53396 (2015).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 belirlenir. Enerji dispersif X-ışını spektroskopi ile Element analizi, bizmut, vanadyum nanotellerdir alt-(Şekil 4) ile alaşım olmadığını gösterir.

figür 1
Yüzey sıcaklığı kontrol ünitesinin Şekil 1. Düzen. Birim termal bir Peltier yazın yapıştırılarak monte edilir gümüş dolu epoksi kullanarak bir soğutucu rmoelectric modülü. Bir platin RTD çalışma sıcaklığını izlemek için modülün üst (çalışma) yüzeye yapıştırılır. Büyüme substrat yaylı klipleri (gösterilmemiştir) tarafından termoelektrik modülün üstüne sabitlenir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 2,
Dikey kesit ile gösterildiği gibi Şekil 2, vanadyum filmlerin SEM görüntüleri, taze. Magnetron püskürtme (A) ve termal buharlaştırma (B) ile, sırasıyla, silikon alt-tabaka üzerinde biriken her iki filmler, sütun şeklinde ve hafif gözenekli bir yapıya sahiptir. Burada tıklayın Bu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için.

Her zaman ">:" keep-together.within-sayfa = fo "jove_content Şekil 3,
Şekil 3. farklı sıcaklıklarda gerçekleştirilen substratlar ile bizmut mevduat SEM görüntüleri: (A) 273K, (B) 285 K, (C) 298 K, (D) 323 K, ve (E) 348 K için tıklayınız Bu rakamın büyük bir sürümünü görüntüleyin.

Şekil 4,
Şekil 4. Bizmut nanotellerin (A, B) transmisyon elektron mikroskobu (TEM), (C) X-ışını difraksiyonu (XRD) ve (D) enerji dispersif X-ışını (EDX) spektroskopisi karakterizasyonu. Paneller (A) 'nın ve oyuklar (B) sırasıyla karşılık gelen seçici alan elektron kırınımı (SAED) desenleri göstermektedir. Panelinde (C) X-ışını diffraDikey kırmızı çizgiler kırılma zirve konumları ve toplu rombohedral bizmut yoğunluklarını işaret ederken bizmut nanotellerinin ction deseni standart güç kırınım dosyası (PDF # 01-071-4643) göre, siyah çizgi gösterilir. için tıklayınız Bu rakamın büyük bir sürümünü görüntüleyin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 büyüme substratların kapalı döngü sıcaklık kontrolü için elektrik beslemesi kullanın vardır. Termoelektrik sıcaklık kontrol termal bir soğutucu yapıştırılmış olan bir Peltier-tipi seramik plaka, termoelektrik modülü, alt-tabakaya, ısıtma / soğutma sağlar. Yüzey sıcaklığı, platin rezistanslı sıcaklık dedektörü (RTD) tarafından izlenir. Yüzey sıcaklığı kontrol ünitesinin bir örnek için Şekil 1'e bakınız.

Literatürde, mevcut yöntemlere kıyasla, bu teknik, tek kristal bizmut tellerden yüksek verim (>% 70) oluşumunu sağlar. Bu teknik aynı zamanda onun ölçeklenebilirlik için önemlidir: tevdi edilen bizmut nanotellerinin miktarı, sadece alt-tabaka boyutu ile sınırlıdır. Bizmut nanotellerinin başarılı bir büyüme için, oksidasyon sürekli ücretsiz bir nano-gözenekli vanadyum ince film yatırmak önem taşımaktadır. Vanadyum soğuk alt-tabaka üzerine biriktirilmiş bu kolay gözenekli bir film oluşturmak için kılan, yüksek erime noktasından (1910 ° C) için tercih edilir. Titanyum gibi diğer yüksek erime metaller, (1668 ° C), benzer bir şekilde, bizmut nanotellerdir büyümesini teşvik edebilir. Her ikisi de anlamlı bir gözenekliliğe göstermektedir magnetron püskürtme (a) ve termal buharlaştırma, (b) yöntemleri ile büyük biriken vanadyum ince filmlerin SEM görüntüleri, Şekil 2'de gösterilmiştir. Önceki çalışmamızda keşfedilen gibi, infil için gerekli olanbunlar nanotelleri oluşturulması için gözenekli bir vanadyum matris çıkarılmasına ve böylece trated bizmut etki, vanadyum olmayan ıslatma için. 21 bir okside vanadyum yüzeyi, ancak, bizmut ile ıslatılmaktadır ve nanotellerdir büyümesini desteklemez. Oksidasyon doğru Vanadyum en açığı göz önüne alındığında, denemenin başarı kendiliğinden oksidasyon önlenir nasıl verimli güvenir. Bu gerekli kıvam iyi argon plazma altında magnetron püskürtme ile sağlanır olduğu bulunmuştur. Termal buharlaştırma vanadyum birikimi için, tek seçenek ise taban basınç 5 x 10 -7 Torr ya da daha düşük olduğu zaman, gerekli kıvam elde olduğu bulunmuştur. Termal buharlaştırma üzerinde püskürtme magnetronunun avantajı için iki katkıda bulunan faktörler vardır: 1) kaynak sıçratma magnetron oksidasyon yavaşlatır termal buharlaşma durumunda çok daha serin olduğu; ve 2) magnetron püskürtme kaynağı olarak yaklaşık 2 mTorr maruzoksijen kısmi basıncını bastırır argon akışı. Buna ek olarak, termal buharlaştırma aşırı radyasyonlu ısı zor dolayı termoelektrik ısıtıcı / soğutucu sınırlı gücüne, daha sonraki bizmut depolanması sırasında alt tabaka sıcaklığını ayarlamak için yapar, çok önemli ölçüde birikim substratı ısıtır. Bizmut pürüzsüz ve yansıtıcı tabaka halinde ise, bunun tevdi edilmesi sırasında vanadyum filmin oksitlenmesi kaynaklanmaktadır. Bu durumu önlemek için, biriktirme bölmesi baz basıncına ulaşmak için (örneğin, O / N), daha uzun bir süre pompalanmalıdır.

Şekil 3'te SEM görüntüleri ile gösterildiği gibi, bizmut yataklarının morfolojisi, farklı alt-tabaka sıcaklığında belirgin bir şekilde değişmektedir. Bu düşük sıcaklık (273 K) hiçbir bizmut nanotel ama grenli bir film vanadyum üzerine yatırılır olduğu açıktır. Bizmut nanotellerdir 0.5-1 (285 K gibi düşük bir yüzey sıcaklığında formu, ama (60-80 nm) ince ve kısa56 m). RT (298 K) At nanotellerdir 90-120 nm kalınlığında ve uzunluğunda 6-8 um büyür. Bu nanotel ipuçları yerine sorunsuz genellikle VLS büyümeden görülmektedir ki, yuvarlatılmış olma yönlü olması dikkat çekicidir. Bunun nedeni, bu durumda nanotel büyüme ön bizmut nanodomains erimiş olan bizmut / vanadyum arayüzü, bulur olmasıdır. En kısa sürede gözenekli vanadyum matrisinden erimiş bizmut patlak gibi kristalleşme ilerler hemen yönlü bir görünüm vermek için. Nanotellerdir yüksek sıcaklıkta oldukça kalın ve daha uzun büyür. 323 K 'de, nanotellerin çapı yaklaşık 200 nm ve uzunluğu 20-30 mikron. 348 K'de, nanoteller çapı yaklaşık 400 nm ve uzunluğu 100 mikron bulunmaktadır. Bu nedenle, istenen boyutlarda bizmut nanotellerinin tutarlı oluşumu için bir kaç Kelvin içinde alt-tabaka sıcaklığının kontrol edilmesi önemlidir. Şu anda, bu teknik 60 nm'den daha az çapa sahip bizmut nanotelleri büyümeye kullanılamaz. TO Öte yandan, bu sıcaklık kontrol vanadyum buharı ile karşılaştırıldığında bu tabaka her zaman çok soğuk olduğu için büyük olasılıkla vanadyum birikimi sırasında önemli olmadığı görülmektedir.

Şekil 1 'de gösterilen termik cihazı sıcaklık kontrolü için bir çözümdür. Termoelektrik modül ve soğutucu arasındaki termal temas için kullanılan oda sıcaklığında tutulan ısı lavabo, alt tabaka 273 K soğutulmuş olabilir veya 373 K. Silver dolu epoksi ısıtıldı. Bu çözücünün buhar buhar biriktirme esnasında alt-tabaka yüzeyinin kontamine ve tutarsız sonuçlara yol açabilir çünkü epoksi tamamen kürlenmiş ve herhangi bir çözücü kurutulur önemlidir. Aynı nedenle, herhangi bir jel-benzeri, termal yapıştırma kullanılmalıdır. Benzer bir uygulama termoelektrik modül ve Pt RTD arasındaki temas için yapılır.

Şekil 4 (a), (b) biz transmisyon elektron mikroskobu sunuyoruz (TEM) görüntüleri obizmut nanotellerin f. Elektron Difraktogramların bir araştırmada (iç metinleri, Şekil 4 (a), (b)) bizmut nanotellerinin çoğu ya (1102) ya da (1210) doğrultuları boyunca büyümeye ortaya koymaktadır. Bir tohum gibi buhar-sıvı-katı (VLS) mekanizması olarak büyümeyi aracılı olmama rağmen, bizmut nanoteller nedeniyle bizmut / vanadyum arayüzü yakınında bulunan bir büyüme ön varlığı için, tek kristal nerede sıvı-to-katı faz geçişi olur. Tellerin en radyal enine kesiti Şekil 4 (a) 'da gösterilen TEM görüntüsü gözlenen karanlık kontrast yol açar, düzensiz yerine, dairesel olabilir. Toz X-ışını kırınım deseni (şekil 4 (c)), aynı zamanda, bizmut nanotellerin da toplu paralelkenar kafes (R3 m) 'de kristalize olduğunu doğrulamaktadır. Şekil 4 (d) 'de enerji dağıtıcı X-ray (EDX) analizi ile gösterildiği gibi, nanotellerin vanadyum ile alaşım olmayan saf bizmut olan (Şekil 4 (d)

Özetle, yeni bir tekniktir bizmut / vanadyum arayüzünde yüzey enerjisi ile uyarılan tek kristal bizmut nanotellerinin ölçeklenebilir ve yüksek verim artışı için bu makaledeki gösterilmiştir. Tekniği sadece büyüme alt-tabakanın sıcaklığı ayarlanarak, boyutları çok geniş bir aralığı üzerinde, bizmut nanotelleri büyüyen yeteneğine sahiptir. Bu basit ama geleneksel olmayan büyüme mekanizması ayrıca diğer materyaller sisteminin büyümesi için geliştirilmiş olacağı tahmin edilmektedir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Bismuth Sigma-Aldrich 556130 Granular, 99.999%
Vanadium Slug Alfa Aesar 42829 3.175 mm (0.125 in) dia x 6.35 mm (0.25 in) length, 99.8%
Vanadium Sputtering Target Kurt J. Lesker EJTVXXX253A2 3.00" Dia. x 0.125" Thick, 99.5%
Acetone Sigma-Aldrich 179124 >99.5%
Ethanol Alfa Aesar 33361 Anhydrous
Silicon Wafer University Wafers 300 microns in thickness, (100) orientation
Silver Filled Epoxy Circuit Works CW2400 Two part conductive epoxy resin
Tungsten Boat, Alumina Coated R. D. Mathis S9B-AO-W For bismuth thermal evaporation
Tungsten Boat R. D. Mathis S4-.015W For vanadium thermal evaporation
RIE Plasma Nordson March CS-1701
PVD 75 Vapor Deposition Platform Kurt J. Lesker PEDP75FTCLT001 Equipped with three thermal evaporation source and one DC magnetron sputtering source
Thermoelectric Temperature Controller LairdTech MTTC-1410
PT1000 RGD LairdTech 340912-01 Temperature sensor for MTTC-1410
Thermoelectric Module LairdTech 56910-502
Ultrasonicator Crest Ultrasonics Tru-Sweep 175

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics