إعداد ماكروبوروس الفوقي الكوارتز أفلام على السيليكون التي كتبها الكيميائية الحل ترسب

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry 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

Carretero-Genevrier, A., Gich, M. Preparation of Macroporous Epitaxial Quartz Films on Silicon by Chemical Solution Deposition. J. Vis. Exp. (106), e53543, doi:10.3791/53543 (2015).

Please note that all translations are automatically generated.

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

Abstract

Introduction

عند إرسال المواد كهرضغطية مثل α الكوارتز إلى الجهد التحيز أنه يخضع لتشويه الميكانيكية. إذا كانت هذه المواد هي التي يسهل اختراقها، ويمكن لهذه التغييرات في الحجم يؤدي إلى توسع المسام أو انكماش، وخلق نظام استجابة على غرار ما يمكن ملاحظته في العيش العضيات البيولوجية. وقد تم إنتاج 1 تشوه مسامية α الكوارتز باستخدام التصنيع الدقيق، 2 ولكن هذه التقنيات لا يمكن حتى الآن إنتاج 3-D الهياكل المسام، وأقطار المسام هي بناء على أمر من مئات نانومتر. وقد أعاق بلورة هيكلة السيليكا غير متبلور من قبل التنوي غير متجانس الناجمة عن الطاقات السطحية عالية وتشوه المعماري بسبب خشونة والذوبان. وعلاوة على ذلك، منذ يتم بناؤها جميع أشكال السيليكا على شافي 4 شبكات رباعي السطوح مستقرة للغاية، والطاقات خالية من تشكيل السيليكا غير متبلور، ألفا الكوارتز وغيرها من شافي 2 الكريات البيضاء متساوية تقريبا في مجموعة واسعة من درجات الحرارة، وماكين ز صعوبة في إنتاج ألفا الكوارتز باعتباره المفصصة واحد من بلورة هلام السيليكا غير متبلور. 3 الجانب الآخر الذي يجعل من الصعب بلورة تسيطر عليها منظم السيليكا غير متبلور هي تقدم أن الكوارتز معدل التنوي بطيئة نسبيا ولكن معدل نمو سريع للغاية، ذكرت بين 10-94 نانومتر / ثانية. 4،5 التنوي البطيء إلى جانب النمو السريع يميل إلى توليد بلورات أكبر بكثير من هيكل nanoporous الأصلي، وبالتالي يتم فقدان التشكل الأصلي. الفلزات القلوية، مثل نا + ولي وقد استخدمت لبلورة الكوارتز ألفا، في كثير من الأحيان في تركيبة مع العلاج المائية. 5،6 أيضا، تي 4+ / كا 2+ كان يعمل مزيج لبلورة جسيمات كروية من السيليكا في الكوارتز بطريق كيمياء بسيطة باستخدام alcoxides السيليكون. 7 ومع ذلك، ظلت بلورة تسيطر على منظم غير متبلور السيليكا في الكوارتز تحديا.

"jove_content"> في الآونة الأخيرة، وقد وجد السترونتيوم لتحفيز التنوي ونمو بلورية شافي 2 تحت الضغط المحيط ودرجات حرارة منخفضة نسبيا. 8،9 إبيتاز، ينشأ من عدم التوافق بين مواتية α الكوارتز و> السيليكون الركيزة <100، إنتاج الأفلام الموجهة رقيقة كهرضغطية. وقد استخدم الناجم عن تبخر التجميع الذاتي لإنتاج الأفلام السيليكا mesoporous منذ عام 1999. 10 وقد تمت دراسة هذه التقنية وتطبيقها على عدد وافر من وكلاء النموذجيه في ظل ظروف مختلفة لإنتاج مسام أحجام متغيرة وmesophases. وقد وجد أن التغيرات subnanometric في حجم mesopore يمكن أن يكون لها تأثير كبير على المذاب نشرها من خلال أنظمة مسامية 11، التحقق من صحة هذه اهتماما واسعا لمسام هيكل. وعلاوة على ذلك، وسهولة الوصول إلى نظام السيليكا مسام الداخلي يمكن الحصول عليها عن طريق التحكم في المرحلة micellar من القالب. 12

هنا، تي الطريق التوليفقبعة تتيح مراقبة غير مسبوقة على سمك وحجم المسام من طبقات السيليكا غير متبلور باستخدام يتجلى فصل مرحلة الرواية. مخترقة 13 هذه الأفلام مع SR (II) الأملاح وتبلور لألفا الكوارتز في 1000 درجة مئوية تحت الهواء في الضغط المحيط. يتم تحديد حجم المسام retainable باستخدام هذه العملية تبلور، ودراسة تأثير سماكة الجدار وسمك الفيلم. وأخيرا يتم دراسة الضغطية والتشوه للنظام المسام.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. إعداد سول

  1. يعد حل prehydrolyzed رابع إيثيل orthosilicate (TEOS) قبل يوم من إعداد الأفلام هلام في غطاء الدخان التي توضع على التوازن مختبر ومحرك مغناطيسي. في هذه الخطوة وعبر بروتوكول ارتداء معطف المختبر، والقفازات ونظارات السلامة.
    1. في دورق 50 مل تحتوي على شريط التحريك المغناطيسي تفلون المغلفة تزن 1.68 غرام من CTAB، إضافة 48.13 مل من الايثانول و 3.00 مل من حمض الهيدروكلوريك 35٪، وتغطية الكأس مع كوب ساعة ويحرك حتى يذوب تماما CTAB.
    2. إضافة 7.37 مل من TEOS إلى قطرة قطرة الكأس (بمعدل حوالي 1-2 قطرات في الثانية) مع التحريك، وتغطي القارورة مع كوب ساعة والسماح لها إثارة O / N.
  2. في اليوم التالي، وإعداد 1 M محلول مائي من 2+ ريال. تنفيذ هذه والخطوات التالية قبل إعداد الأفلام هلام لأن الحل العمر عرضة لإعادة هطول الأمطار من الملح ريال.
    1. تزن 6.6654 غرام من SrCl 2 · 6H 2 O إلى 25 مل قارورة حجمية.
    2. إضافة عالى النقاء الماء (على سبيل المثال، الملي-Q) تصل إلى 25 مل (الغضروف المفصلي الظل الى علامة القارورة) وإغلاق القارورة مع غطاء من البلاستيك ويهز بلطف القارورة لإذابة كلوريد السترونتيوم.
  3. إضافة 2 مل من 1 M محلول مائي من الأب 2+ على الزجاج 50 مل دورق يحتوي على سول التي تركت اثارة O / N. يحرك الحل لمدة 25 دقيقة.
  4. التخلص من المخلفات التي تم إنشاؤها في نهاية المطاف وفقا لبروتوكولات حماية السلامة والبيئة من المختبر.

2. جل الأفلام ترسب في سي (100) ركائز

  1. إعداد ركائز
    1. قطع ألواح سي من حوالي 2 سم في 5 سم من أصل 2 بوصة ف نوع (100) رقاقة السيليكون مع سمك 200 ميكرون من قبل الشق الرقاقة في اتجاه مواز أو عمودي على شقة الرقاقة باستخدام طرف الماس أو جسم حاد ذو حدين. تنفيذ هذه الخطوة في الإعلانفانس، على سبيل المثال قبل يوم من ترسب من الأفلام هلام.
    2. فقط قبل ترسب المواد الهلامية، وتنظيف ركائز مع الايثانول والسماح لهم الجافة أو استخدام تدفق النيتروجين أو الهواء المضغوط لتسريع عملية التجفيف. تنفيذ هذه الخطوة في انتظار الانتهاء من الخطوة 1.3.
  2. معطف الأفلام. من أجل الحصول على بنية macropore متجانسة تنفيذ هذه الخطوة في ظل ظروف الرطوبة النسبية بين 20٪ و 55٪ على RT.
    1. إنشاء تسلسل تراجع الطلاء. تحديد المواقف الأولية والنهائية مع الأخذ في الاعتبار طول الفعلي للبلاطة سي ومستوى من الحل في الكأس بحيث لوح هو لا يقل عن 2 سم فوق مستوى الحل في نقطة الانطلاق و1 سم فوق الجزء السفلي من الكأس في نهاية الغمر. تعيين كل من الغمر والانسحاب بسرعة إلى 150 مم / دقيقة. ضبط الوقت الغمر (الوقت في الموقف النهائي) إلى الصفر.
    2. عند الانتهاء من الخطوة 1.3 مكان الكأس مع ذلكlution في موقف تركز جيدا تحت البلاطة سي تتدلى من ذراع تراجع المغطي.
    3. إصلاح واحدة من نهاية بلاطة سي إلى الذراع تراجع المغطي مع مقطع، وضمان لوح هو عمودي قدر الإمكان فيما يتعلق الأفقي.
    4. تنفيذ تسلسل تراجع الطلاء وقم بفك بلاطة سي من الذراع تراجع المغطي. كرر الخطوات 2.2.3 و2.2.4 مع ألواح سي إضافية لإنتاج المزيد من الأفلام، مع الحرص على عدم تمديد هذه الاستعدادات بعد 1 ساعة، لضمان استقرار الحل لن يتم التهاون.
  3. التخلص الحلول التي تم إنشاؤها في نهاية المطاف وفقا لبروتوكولات حماية السلامة والبيئة من المختبر.

3. جل السينمائي تبلور من خلال المعالجة الحرارية

  1. المعالجة الحرارية من الأفلام الجل على سي (100).
    1. برنامج فرن لأداء المعالجة الحرارية التالية في جو الهواء: التدفئة من RT إلى 1000 درجة مئوية في 3 ° C / دقيقة، وعقد في 1000 °؛ C لمدة 5 ساعة والتبريد لRT في 3 ° C / دقيقة.
    2. وضع المغلفة تراجع ركائز سي في زورق والألومينا وندخله في الفرن وتنفيذ المعالجة الحرارية.
  2. تنظيف من الأفلام تبلور.
    1. تزج الأفلام تبلورت لمدة 3 ساعة في HNO 3 المركز من أجل إزالة تراكمات الأب 2+ التي تم expulsed إلى السطح الفيلم خلال بلورة ثم شطف الأفلام الأولى مع الماء منزوع الأيونات ثم مع الايثانول.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وقد سيطر على التقدم المحرز في تخليق المواد من خلال رصد الجوانب المختلفة. بعد عملية تراجع الطلاء واحد يمكن أن نلاحظ الجانب من الأفلام، وظهور في نهاية المطاف من الهياكل الحيود في المكان الذي ينعكس من الليزر الأخضر والمجهر الإلكتروني (SEM) الصور في وضع الإلكترونات الأشعة المرتدة (الشكل 1A-B). بعد عملية التبلور من المهم أن يسجل القوة الذرية المجهر (AFM) الصور الطبوغرافية (الشكل 1C) وشخصية القطب التي حصلت عليها حيود الأشعة السينية من الأفلام التي تشير إلى أن العلاقات الفوقي بين الفيلم α الكوارتز (α-Q ) وسي (100) الركيزة هي: α-Q (010) // سي (010) وα-Q (001) // سي (001) (1D الشكل). تم الكشف عن استجابة كهرضغطية من الأفلام من تأثير كهرضغطية العكس باستخدام مجهر القوة الذرية مع طرف إجراء في وضع الاتصال وتطبيق AC الجهدالصورة بين طرف وسي (100) الركيزة (الشكل 2).

أثناء إعداد المواد وهناك العديد من القياسات والملاحظات التي يمكن تقديمها للتحقق من التقدم المحرز في التوليف. وتتمثل هذه في الشكل جنبا إلى جنب مع رسم الذي يعرض مراحل مختلفة من الإعداد المادي. بعد ترسب الفيلم من تراجع طلاء، وظهور مزرق مخضر التي يمكن أن يكون موضع تقدير من قبل المراقبة بالعين المجردة من الركيزة (الشكل 1A) يدل على توزيع جيد من الأب 2+ جميع أنحاء الفيلم. أيضا في هذه المرحلة يمكن للمرء أن توجيه ليزر أخضر للفيلم واعتراض بقعة ينعكس في شاشة سوداء. إذا حدث الانفصال مرحلة ويعرض دورية قريبة لتلك التي من الليزر الطول الموجي (λ = 532 نانومتر) البقع الحيود يمكن ملاحظة (أقحم من الشكل 1A). A examinatio مباشرويمكن أن يتم ن من المواد التي يكشف وقوع الانفصال المرحلة مما أدى إلى هيكل macropore (مع قطر بين 0.5 و 1 ميكرون) و2+ توزيع ريال في حافة تحفر بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح في وضع الإلكترونات الأشعة المرتدة ( انظر الشكل 1B).

وفيما يتعلق بنتائج المعالجة الحرارية التبلور هناك نوعان من القياسات لتقييم جودة المواد النهائية. من جهة، وذلك باستخدام مجهر القوة الذرية في استغلال الوضع، وتكشف الصور الطبوغرافية إلى أي مدى قد تم الحفاظ على هيكل ماكروبوروس الأولي على بلورة (الشكل 1C). من ناحية أخرى، واقتناء نمط حيود الأشعة السينية مع كاشف منطقة يكشف على الفور ما إذا كان الفيلم الكوارتز الفوقي (ويلاحظ بقع الحيود بدلا من حلقات) مع α الكوارتز قد تم الحصول عليها (100) نسيج من الطائرة، كما فقطويلاحظ (H00) أسرة من الأفكار في المسح θ-2θ (انظر الشكل 1D).

قوة Piezoresponse المجهري يمكن استخدامها للتأكد من أن الأفلام تبلور تمثل استجابة كهرضغطية عبر تأثير كهرضغطية العكس. ويتم ذلك من خلال تطبيق الجهد AC بين إجراء غيض AFM وسي (100) الركيزة وتقديم معلومات سرية في اتصال مع سطح الفيلم في ظروف ثابتة. يتم تسجيل اتساع انحراف من طرف أثناء إجراء المسح الضوئي تردد التيار الكهربائي AC تطبيقها بين طرف والركيزة. إذا كان الفيلم هو كهرضغطية ذلك بتشوهات في إطار الجهد التطبيقي وهذا يمكن اكتشافه من خلال انحراف من طرف على تردد صدى خاص (انظر الشكل 2). هذه السعة انحراف يتناسب مع اتساع مجال AC تطبيقها (انظر أقحم في الشكل 2). ويمكن الحصول على معامل سلالة كهرضغطية ومدمج هذه القياسات التي في توجيه هذه الأفلام الكوارتز هو من أجل من 02:00 / V، بالاتفاق مع قيم معظم الكوارتز.

الشكل 1
الشكل 1. إعداد المواد وتوصيف مراحل مختلفة من إعداد ماكروبوروس الأفلام الفوقي الكوارتز على (100) سي جنبا إلى جنب مع التوصيفات المختلفة لرصد التقدم المحرز في العملية: (A) الصورة البصرية للفيلم الجل على (100) سي بعد تراجع الطلاء. يظهر أقحم البقع الحيود التي تنتجها تفاعل تحفر مع ليزر أخضر. (B) SEM صورة الفيلم على هلام (100) سي بعد تراجع طلاء في وضع الإلكترونات الأشعة المرتدة. زيادة مع تباين في حواف تحفر ومن المقرر أن تراكم الأب 2+. (C) الطبوغرافية AFM صورة من الفيلم بعد crystallizatiعلى العملية التي تم الحفاظ عليها هيكل ماكروبوروس وتظهر البلورات المحيطة تحفر. نمط حيود (D) الأشعة السينية تسجيلها في كشف 2-الأبعاد تظهر بقعة تشبه (100) و (200) انعكاسات α الكوارتز. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 2
يتم فحص الشكل 2. إجهادي استجابة من الأفلام، واستجابة كهرضغطية من الأفلام الكوارتز تبلور عن طريق الكشف عن انحراف من AFM إجراء اتصال مع الفيلم بينما يتم تطبيق التيار المتردد (AC) الفولتية من ترددات مختلفة بين طرف وسي (100) الركيزة. يظهر أقحم التي كما هو متوقع للاستجابة كهرضغطية والسعة انحراف يختلف خطيا مع السعةمن تطبيقها AC الجهد. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

الطريقة المعروضة هي نهج من أسفل إلى أعلى لإنتاج أفلام الكوارتز ماكروبوروس على سي. بالمقارنة مع أسلوب قياسي من إنتاج أفلام الكوارتز، أعلى إلى أسفل تكنولوجيا تقوم على قطع وصقل كبيرة نمو بلورات المياه الحارة، وطريقة وصفها في بروتوكول يسمح بالحصول علي الأفلام أرق بكثير مع سمك يتراوح بين 150 و 450 نانومتر والتي يمكن التحكم مع معدل الانسحاب. يتم الإبلاغ عن جميع التفاصيل التجريبية بشأن السيطرة على الكوارتز الأفلام سمك، واستجابة كهرضغطية في المراجع 8،13. سمك من الأفلام الكوارتز التي حصلت عليها أسلوب قياسي لا يمكن أن يكون أقل من 10 ميكرون وبالنسبة لمعظم التطبيقات هذه تحتاج إلى المستعبدين على ركائز سي.

الأفلام الكوارتز تم الحصول عليها مع البروتوكول يمكن أن تجد تطبيقات في المستقبل في مجال الأجهزة الكهربائية. نظرا لسمك لها أقل من 500 نانومتر ومن المتوقع ان يقدم ترددات الرنين أعلى هذه. أحد الجوانب الرئيسية فيأجل الحصول على أفلام ذات نوعية جيدة هو ضمان أن طول الركيزة سي طويل بما فيه الكفاية، عادة أكثر من 4 سم طويلة، من أجل السماح تشكيل الغضروف المفصلي بين السطح من سول والركيزة التي يتم سحبها . في المرحلة النهائية من عملية تراجع طلاء السطح المحدب (عادة من 1 سم طول) ويقع في نهاية الجزء السفلي من الركيزة. ونتيجة لذلك، يعرض فيلم سمك غير موحدة في هذا الجزء الذي لابد من إزالتها عن طريق قطع بها قبل المعالجة الحرارية. ويتم ذلك لضمان أن تكون استجابة كهرضغطية متجانسة منذ الجزء المتبقي من الفيلم يعرض سمك متجانس.

طريقة بعض القيود. على سبيل المثال، وتشكيل macroporosity ضمن مجموعة من 500 نانومتر و 600 نانومتر يحدث فقط عندما الرطوبة النسبية بين 20٪ و 55٪ و هو الأمثل أيضا لنطاق ضيق نسبيا من درجات الحرارة (عادة ما بين 15 و 35 درجة مئوية). هذا البروتوكول هو المواصفاتالمتعلقة ifically لتركيب الأفلام الكوارتز الفوقي مع ماكروبوروس ضمن مجموعة من 500 نانومتر و 600 نانومتر قطر. حجم هذه macroporosity لا يمكن تعديلها بسبب آلية مرحلة الانفصال. لكن سمك الفيلم يمكن التحكم ويتم الإبلاغ عن كل هذه التفاصيل التجريبية بشكل صحيح في أي مكان آخر. 8،13 أيضا، سمك الفيلم ليست موحدة تماما والزيادات في الجزء السفلي من الفيلم، أي الجزء الأخير الذي هو في الاتصال مع سول أثناء الانسحاب. لكن هذا القيد لا يمكن التغلب عليها بسهولة عن طريق قطع ونبذ هذا الجزء من الفيلم مع سمك غير موحدة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

وقد تم تمويل هذا العمل جزئيا من خلال مشروع PEPS من CELLULE اينرجي INSIS-CNRS (1D-RENOX) لACG والحكومة الإسبانية (MAT2012-35324 وفطيرة 201460I004).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Dip coater Nadetech  ND-DC 11/150 
Furnace Nabertherm  R 50/250/12
Atomic Force Microscope Agilent  5500 LS
Silicon wafers SHE Europe Ltd.
SrCl2·6H2O Aldrich 13909
CTAB Aldrich H5582
Ethanol Absolute  Aldrich 161086
HCl 35% solution PanReac 721019
TEOS Aldrich 131903

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Esser, A. T., Smith, K. C., Gowrishankar, T. R., Vasilkoski, Z., Weaver, J. C. Mechanisms for the intracellular manipulation of organelles by conventional electroportation. Biophys. J. 98, (11), 2506-2514 (2010).
  2. Stava, E., Yu, M., Shin, H. C., Shin, H., Kreft, D. J., Blick, R. H. Rapid fabrication and piezoelectric tuning of micro- and nanopores in single crystal quartz. Lab Chip. 13, (1), 156-160 (2013).
  3. Varshneya, A. K. Fundamentals of Inorganic Glasses. Academic Press. San Diego. (1994).
  4. Christov, M., Kirov, G. C. The ratio of dissolving surface area/growing surface area in the hydrothermal growth of quartz. J. Cryst. Growth. 131, (3-4), 560-564 (1993).
  5. Bertone, J. F., Cizeron, J., Wahi, R. K., Bosworth, J. K., Colvin, V. L. Hydrothermal synthesis of quartz nanocrystals. Nano Lett. 3, 655-659 (2003).
  6. Jiang, Y., Brinker, C. J. Hydrothermal synthesis of monodisperse single-crystalline alpha-quartz nanospheres. Chem. Comm. 47, (26), 7524-7526 (2011).
  7. Okabayashi, M., Miyazaki, K., Kono, T., Tanaka, M., Toda, Y. Preparation of Spherical Particles with Quartz Single. Chem. Lett. 34, (1), 58-59 (2005).
  8. Carretero-Genevrier, A., et al. Soft-Chemistry-Based Routes to Epitaxial α-Quartz Thin Films with Tunable Textures. Science. 340, (6134), 827-831 (2013).
  9. Brinker, C. J., Clem, P. G. Quartz on Silicon. Science. 340, (6134), 818-819 (2013).
  10. Brinker, C. J., Lu, Y., Sellinger, A., Fan, H. Evaporation-Induced Self-Assembly: Nanostructures Made Easy. Adv. Mater. 11, (7), 579-585 (1999).
  11. Griffith, C. S., Sizgek, G. D., Sizgek, E., Scales, N., Yee, P. J., Luca, V. Mesoporous Zirconium Titanium Oxides. Part 1: Porosity Modulation and Adsorption Properties of Xerogels. Langmuir. 24, (21), 12312-12322 (2008).
  12. Lu, Y., et al. Continuous formation of supported cubic and hexagonal mesoporous films by sol-gel dip-coating. Nature. 389, (6649), 364-368 (1997).
  13. Drisko, G. L., et al. Water-Induced Phase Separation Forming Macrostructured Epitaxial Quartz Films on Silicon. Adv. Funct. Mater. 24, (35), 5494-5502 (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