Kimyasal Çözüm Biriktirme tarafından Silisyum üzerinde Makrogözenekli Epitaksiyel Kuvars Filmlerin Hazırlanması

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

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.

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 gösterir filmlerin X-ışını kırınımı ile elde edilen bir kutup şekil kaydedilmesi önemlidir ) Si (100) substrat: α-S (010) // Si (010) ve α-S (001) // Si (001) (Şekil 1D). Filmlerin piezoelektrik tepki iletişim modunda bir iletken ucu bir atomik kuvvet mikroskobu kullanılarak converse piezoelektrik etkisi ile tespit ve AC gerilim uygulandığındaucu ve Si (100) alt-tabaka arasındaki s (Şekil 2).

Malzemenin hazırlanması sırasında birçok ölçüm ve sentez ilerlemesini kontrol etmek için yapılabilir gözlemler vardır. Bunlar materyal hazırlama değişik aşamalarını gösteren bir kroki ile birlikte, Şekil 1'de temsil edilmektedir. Daldırmalı kaplama ile filme çökeltilmesinden sonra, alt-tabaka (Şekil 1A) çıplak gözle gözlem ile takdir edilebilir mavimsi yeşil bir görünüm Sr2 +, tüm film üzerine iyi bir dağılımının bir göstergesidir. Ayrıca bu aşamada, bir filme yeşil lazer yönlendirebilirsiniz ve siyah bir ekran yansıyan noktayı kesmek. Faz ayrılması meydana gelen kırılma noktaları (Şekil 1A içerlek) görülebilir lazer dalga boyu (λ = 532 nm) bu yakın bir periyodiklik sunuyor varsa. Bir basit İNCELENMESİ(0.5 ile 1 mikron arası çapında), bir makro-gözenek yapısı içinde elde edilen faz ayrılması ve makro-kenarında Sr2 + dağılımının meydana ortaya malzemenin n (geri-saçılmalı elektronlar modunda taramalı elektron mikroskobu ile yapılabilir ) Şekil 1B bkz.

Kristalleşme ısıl işlem sonucu ile ilgili nihai malzemenin kalitesini değerlendirmek için iki ölçüm vardır. Bir yandan, modunda dokunarak atomik kuvvet mikroskobu kullanarak, topografik görüntüler ne ölçüde başlangıçtaki makro gözenekli yapısı kristalleşme (Şekil 1C) üzerine korunmuştur için ortaya koymaktadır. Α-kuvars bir epitaksiyel kuvars filmin (difraksiyon noktalar yerine halkaların görülmektedir) düzleminden dışarı (100) doku elde edilmiştir, diğer yandan, bir alan detektörü ile bir X-ışını toz dağıtma modeli elde edilmesi, hemen ortaya çıkarır yalnızcayansımaların (h00) aile θ-2θ tarama görülmektedir (Şekil 1D bakınız).

Piezoresponse kuvvet mikroskopisi kristalleşmiş filmler converse piezoelektrik etkisi yoluyla bir piezoelektrik yanıtı sunmak olduğunu kontrol etmek için kullanılabilir. Bu iletken AFM ucu ve Si (100) alt-tabaka arasında bir AC gerilim uygulanması ve statik koşullarda bir film yüzeyi ile temas halinde uç getirerek yapılır. Uç ve alt-tabaka arasında uygulanan AC voltajın bir frekans taraması yaparken ucunun sapma genliği kaydedilir. Film piezoelektrik ise, uygulanan gerilim altında deforme ve bu, (bakınız Şekil 2), belirli bir rezonans frekansı ucunun sapma ile tespit edilebilir. Bu saptırma genliği (Şekil 2'nin girintisini) uygulanmıştır AC alan genliği ile orantılıdır. Bir piezoelektrik gerilme katsayısının f elde edilebilirrom bu kuvars filmlerin yönlendirme için toplu kuvars değerleri ile anlaşarak, 2 de / V mertebesindedir bu ölçümler.

figür 1
. (A) jel filmin Optik görüntü (100) Si: Şekil 1. Malzeme hazırlanması ve karakterizasyonu, farklı karakterizasyonu (100) Si makrogözenekli epitaksiyal kuvars filmlerin hazırlanması farklı aşamaları sürecinin ilerlemesini izlemek için daldırma kaplama sonra. Içerlek yeşil lazer ile makro-etkileşimi ile üretilen kırılma noktaları gösterir. Si geri-saçılmalı elektronlar modunda daldırma kaplama işleminden sonra (B), (100) üzerinde jel filmin SEM görüntüsü. Makro-kenarlarında kontrast artışı Sr birikimi 2+ kaynaklanmaktadır. (C) crystallizati sonra filmin topografik AFM görüntüsümacroporous yapısı korunmuş ve Makroporlar çevreleyen gösteren kristaller olmuştur süreci. Spot-benzeri (100) ve (200) α-kuvars yansımaları. Gösteren 2 boyutlu dedektör kaydedildi (D) X-ışını kırınım deseni bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 2,
Filmler Şekil 2. Piezoelektrik cevabı. Kristalize kuvars filmlerin piezoelektrik yanıtı farklı frekansta alternatif akım (AC) gerilimler ucu ve Si arasına uygulanır ise film ile temas içinde bir iletici AFM sapmasını tespit kontrol edilir (100) alt-tabaka. Içerlek piezoelektrik tepki beklendiği gibi saptırma genlik genliği ile doğrusal olarak değişir olduğunu göstermektediruygulanan AC voltajın. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 rapor edilmiştir. Standart metod ile elde kuvars filmlerinin kalınlığı 10 um altında ve bu Si alt tabakalar üzerinde bağlanmış olması gerekir çoğu uygulama için olamaz.

Protokol ile elde edilen kuvars filmler elektromekanik cihazlar alanında gelecekte uygulamaları bulabiliriz. Nedeniyle 500 nm altında kendi kalınlıklarına bu yüksek rezonans frekansları sunması bekleniyor. Önemli bir yönü de içindekaliteli filmler elde edilmesi için alt-tabaka Si uzunluğu solüsyonunun yüzeyi üzerinden çekilmiş olan alt-tabaka arasındaki menisküs oluşmasını sağlamak için yeterince uzun, tipik olarak en fazla 4 cm uzunluğunda bir sağlanmasıdır . Daldırmalı kaplama işleminin son aşamasında (tipik olarak 1 cm uzunluğunda) menisküsündeki alt-tabaka alt ucunda yer almaktadır. Bunun bir sonucu olarak, film, ısıl işlem daha önce keserek çıkarılması gerekir bu bölümünde muntazam olmayan bir kalınlığa sunulur. Bu işlem, filmin geri kalan kısmı homojen bir kalınlık sunmaktadır çünkü piezoelektrik yanıtı homojen olduğundan emin olmak için yapılır.

Yöntem bazı sınırlamalar vardır. Bağıl nem% 20 ve% 55 arasındadır ve ayrıca (tipik olarak 15 ile 35 ° C arasında) bir sıcaklık nispeten dar bir aralık için optimize edildiğinde Örneğin, 500 nm ve 600 nm aralığında makro-gözeneklılık oluşumu yalnızca oluşur. Bu protokol specifically 500 nm ve 600 nm çaplı bir aralık içinde makro gözenekli olan epitaksiyel kuvars filmler senteziyle ilgilidir. Bu makro-gözeneklılık büyüklüğü nedeniyle faz ayırma mekanizmasına değiştirilemez. Bununla birlikte filmin kalınlığı kontrol edilebilir ve bütün bu deneysel ayrıntıları doğru başka bir yerde rapor edilmiştir. 8,13 Ayrıca, filmin kalınlığı mükemmel üniform değildir ve film, örneğin, içinde son bölümü altındaki artar çekilmesi sırasında sol ile temasa geçin. Bununla birlikte, bu kısıtlama, kolayca kesilmesi ve düzgün olmayan kalınlığa sahip filmin bu bölümünü atarak ile aşılabilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Acknowledgments

Bu çalışma kısmen Cellule Energie ACG için INSIS-CNRS (1D-RENOX) ve İspanya hükümetinin (MAT2012-35324 ve PIE-201460I004) bir PEPS projesi tarafından finanse edildi.

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