نمو البذور من البزموت أسلاك متناهية الصغر صفيف عبر فراغ التبخر الحراري

Mingzhao Liu; Chang-Yong Nam; Lihua Zhang

doi:10.3791/53396

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

A protocol for seedless and high yield growth of bismuth nanowire arrays through vacuum thermal evaporation technique is presented.

Abstract

هنا يتجلى تقنية البذور وخالية من القالب لscalably تنمو أسلاك البزموت، من خلال التبخير الحراري في فراغ عالية في RT. محفوظة التقليدية لتصنيع الأغشية الرقيقة المعدنية، والودائع التبخر الحرارية البزموت إلى مجموعة من رأسية أسلاك بلوري واحد على طبقة رقيقة مسطحة من الفاناديوم الذي عقد في RT، الذي يترسب حديثا من قبل الاخرق المغناطيسية أو التبخير الحراري. عن طريق التحكم في درجة حرارة الركيزة نمو الطول والعرض للأسلاك يمكن ضبطها على نطاق واسع. المسؤول عن هذه التقنية الرواية هو آلية نمو أسلاك متناهية الصغر لم تكن معروفة سابقا أن جذور في مسامية خفيفة للفيلم رقيقة الفاناديوم. تسللت إلى داخل المسام الفاناديوم، والمجالات البزموت (~ 1 نانومتر) تحمل طاقة السطح المفرطة التي يقمع نقطة انصهار ويطرد باستمرار لهم للخروج من مصفوفة الفاناديوم لتشكيل أسلاك. يوضح هذا الاكتشاف جدوى بخار قابلة للمرحلة موالفةESIS عالية النقاء المواد النانوية دون استخدام أي محفزات.

Introduction

أسلاك تحصر نقل حاملات الشحنة وأشباه الجسيمات الأخرى، مثل الفوتونات والبلازمونات في بعد واحد. وفقا لذلك، أسلاك عادة ما تظهر خواص كهربائية أو مغناطيسية أو ضوئية وكيماوية جديدة، التي تمنح لهم إمكانات لا نهائية تقريبا للتطبيقات في مجال الإلكترونيات والضوئيات، والتقنيات متناهية الصغر / النانو الحيوية الطبية والبيئية والمتعلقة بالطاقة. ^1،2 خلال العقدين الماضيين، عددا وقد وضعت نهج من أسفل إلى أعلى من أعلى إلى أسفل والتوليف مجموعة واسعة من المعادن ذات جودة عالية أو أسلاك أشباه الموصلات في نطاق المختبر. ^3-6 وعلى الرغم من هذه التطورات، يعتمد كل نهج على بعض الخصائص الفريدة للمنتج النهائي لنجاحها. على سبيل المثال، بخار السائل الصلبة (VLS) طريقة شعبية هو أفضل لائقا للمواد أشباه الموصلات التي لها نقطة انصهار أعلى وتشكيل سبائك سهل الانصهار مع "بذور" الحفازة الموافق ⁷ ونتيجة لذلك، والتوليف من أسلاك متناهية الصغرمواد ذات أهمية خاصة قد لا تكون مشمولة التقنيات الحالية.

ونتيجة لsemimetal مع قليل التداخل غير المباشر الفرقة (-38 إلكترون فولت في 0 K) وحاملات الشحنة الخفيفة على نحو غير عادي، البزموت هو أحد الأمثلة على ذلك. المادة سلوك مختلفة جذريا في خفض البعد بالمقارنة مع حجمها، والحبس الكم يمكن أن يتحول أسلاك البزموت أو الأغشية الرقيقة إلى ضيق الفجوة الفرقة أشباه الموصلات. ^8-12 وفي هذه الأثناء، سطح أشكال البزموت معدن شبه ثنائي الأبعاد هذا هو أكثر بكثير معدنية من حجمها. ^13،14 وقد تبين أن سطح البزموت يحقق حراكا الإلكترون من 2 × 10 ^{4 سم} ^{2 V} ^-1 ثانية ^-1 ويساهم بقوة لقوتها الحرارية في شكل أسلاك متناهية الصغر. ^و15 هذا، هناك مصالح كبيرة على دراسة أسلاك البزموت لالإلكترونية وخاصة التطبيقات الحرارية. ^12-16 ومع ذلك، ويرجع ذلك إلى البزموت ومنخفضة جدانقطة الانصهار (544 K) والاستعداد للأكسدة، فإنه لا يزال يشكل تحديا لالتوليف جودة عالية وأسلاك واحدة البلورية البزموت باستخدام مرحلة البخار أو حل تقنيات المرحلة التقليدية.

سابقا، وقد أبلغ من قبل بعض المجموعات التي بلوري واحد أسلاك البزموت تنمو في العائد المنخفض خلال ترسب فراغ طبقة رقيقة البزموت، وهو ما يرجع إلى الإفراج عن الإجهاد في صلب الفيلم. ^17-20 وفي الآونة الأخيرة، اكتشفنا رواية الاسلوب الذي يقوم على التبخير الحراري من البزموت تحت فراغ عالية ويؤدي إلى تشكيل قابلة للواحدة أسلاك البلورية البزموت في ارتفاع العائد. ²¹ مقارنة بما سبق وذكرت وسائل، وأهم ميزة فريدة من هذا الأسلوب هو أن الركيزة النمو هي المغلفة طازجة مع طبقة رقيقة من nanoporous الفاناديوم قبل البزموت الترسيب. أثناء التبخير الحراري الأخير، بخار البزموت تتسرب إلى هيكل nanoporous من الشاحنةل Adium فيلم ويتكثف هناك كما nanodomains. لأنه لا ترطب الفاناديوم من قبل البزموت المكثف، وexpulsed المجالات تسلل في وقت لاحق من المصفوفة الفاناديوم لإطلاق الطاقة سطحها. هو الطرد المستمر للnanodomains البزموت التي تشكل أسلاك البزموت العمودية. منذ المجالات البزموت ليست سوى 1-2 نانومتر في قطر، فإنها تخضع لكبير قمع نقطة ذوبان، مما يجعلها المنصهر تقريبا في RT. ونتيجة لذلك، يمضي نمو الأسلاك النانوية مع الركيزة التي عقدت في RT. من ناحية أخرى، والهجرة من المجالات البزموت تنشيط حراريا، يمكن ضبطها الطول والعرض للأسلاك على نطاق واسع ببساطة عن طريق التحكم في درجة حرارة الركيزة النمو. ويهدف هذا البروتوكول فيديو تفصيلي لمساعدة ممارسي هذه المهنة في مجال تجنب مختلف المشاكل الشائعة المرتبطة ترسيب البخار المادي للأغشية رقيقة في فراغ عالية، بيئة خالية من الأكسجين.

Protocol

تنبيه: يرجى التشاور مع جميع بيانات سلامة المواد ذات الصلة (MSDS) قبل الاستخدام. قد يكون النانوية مخاطر إضافية مقارنة مع نظرائهم الأكبر. الرجاء استخدام جميع ممارسات السلامة المناسبة عند التعامل مع ركائز المغطاة المواد متناهية الصغر، بما في ذلك استخدام ضوابط هندسية (هود الدخان)، ومعدات الوقاية الشخصية (النظارات الواقية، والقفازات، معطف المختبر، وطول السراويل كاملة مغلقة اصبع القدم أحذية).

1. العمل التحضيرية

إعداد نظام ترسيب البخار
1. تنفيس غرفة ترسب للضغط الغلاف الجوي وفتح غرفة. ويتم التنفيس عن طريق الضغط على زر "ابدأ PC التنفيس" على واجهة برنامج حاسوبي لمراقبة، والتي تبدأ تلقائيا التسلسل الذي تنفيس غرفة للضغط الغلاف الجوي. على الوصول إلى ضغط جوي فتح غرفة عن طريق سحب الباب الوصول إلى الجبهة.
2. جبل قارب التنغستن التبخر (الألومينا المغلفة) بين زوج من الأقطاب الكهربائية التبخر الحرارية. ضع 1الكريات ز البزموت إلى القارب التبخر.
3. جبل هدفا الفاناديوم الاخرق لمصدر المغناطيسية الاخرق. الرجوع إلى الخطوة 1.1.4) لنظام الترسيب التي ليست مجهزة مصدر الاخرق.
4. (اختياري، لنظام الترسيب التي ليست مجهزة مصدر الاخرق) جبل قارب التنغستن تبخر بين زوج من الأقطاب الكهربائية التبخر الحرارية. ضع 0.5 غرام الرخويات الفاناديوم إلى القارب التبخر.
5. الاتصال موصلات مصغرة الموز (اثنان لأغراض التدفئة / التبريد السلطة واثنان لمسبار درجة الحرارة) وحدة تحكم في درجة الحرارة حلقة مغلقة إلى feedthrough الكهربائي للنظام الترسيب.
إعداد ركائز النمو
ملاحظة: تشكيل أسلاك البزموت غير حساس لالركيزة النمو في الاختيار. وقد تم الحصول على نتائج مماثلة من شريحة زجاجية، رقاقة السيليكون، أو الصفائح المعدنية. فمن المستحسن من قبل المؤلفين أن الركيزة يجب تنظيف مسبق فورا إلى بخارعملية الترسيب، من أجل تحقيق التصاق الثابت للunderlayer الفاناديوم. مختلف تقنيات التنظيف الركيزة، بما في ذلك التنظيف البلازما والتنظيف الكيميائي الرطب، ويمكن تطبيقها وتؤدي إلى نتائج مماثلة.
1. تنظيف ركائز النمو من خلال البلازما الأكسجين
  1. وضع ركائز النمو في نظافة البلازما وضخ الغرفة، عن طريق الضغط على "VAC ON" زر، لضغط قاعدتها من 10 mTorr.
  2. فتح صمام غاز الأكسجين وإدخال غاز الأكسجين إلى غرفة عن طريق الضغط على "GAS ON" الموجود على اللوحة الأمامية وضبط معدل التدفق عن طريق الضغط على "INCR" و "DECR" أزرار للتحكم في معدل تدفق الغاز للحفاظ على ضغط الغرفة من حوالي 100 mTorr.
  3. تعيين سلطة البلازما في 20 W عن طريق الضغط على "INCR" وأزرار "DECR" للسيطرة على السلطة وإشعال البلازما عن طريق الضغط على "RF ON" زر.
  4. الانتظار لمدة 5 دقائق قبل إيقاف البلازما عن طريق الضغط على "؛ RF ON ". زر تنفيس الغرفة عن طريق الضغط على زر" تنزف "واسترداد ركائز.
2. تنظيف ركائز النمو من خلال طريقة الكيميائي الرطب
  1. تزج ركائز النمو في الأسيتون الواردة في كوب. ضع الكأس إلى ultrasonicator ويصوتن لمدة 2 دقيقة على أقصى قدر من السلطة.
  2. إزالة ركائز من كوب وشطف لهم مع تيار من الكحول المطلق من زجاجة غسل لمدة 30 ثانية.
  3. تجفيف ركائز في تيار من غاز النيتروجين.
الركيزة التحميل ونظام ترسب الضخ
1. جبل الجمعية التحكم في درجة الحرارة الركيزة لصاحب الركيزة.
2. استخدام مقاطع الربيع لتركيب ركائز النمو على رأس بلتيير التجمع برودة / سخان.
3. جبل حامل الركيزة تجميعها بشكل كامل في غرفة ترسيب البخار، مع ركائز التي تواجه مصادر الترسيب. ربط feedthroughs الكهربائية لبلتيير برودة / التجمع سخان.
4. إغلاق مصراع الركيزة لتجنب ترسب غير مقصود إلى الركيزة.
5. بدء ضخ أسفل غرفة الترسيب. ويتم ضخ عن طريق الضغط على زر "ابدأ PC الضخ" على واجهة البرنامج التحكم، والذي يبدأ تلقائيا تسلسل التي تضخ في غرفة لضغط قاعدتها.

2. نمو البزموت الأسلاك المتناهية الصغر

ملاحظة: هذه التجربة لا يتحرك إلى الخطوة التالية حتى وصلت الى ضغط قاعدة للغرفة ترسب 2 × 10 ^-6 عربة أو أقل.

ترسب underlayer الفاناديوم
ملاحظة: يتم تحقيق أفضل استنساخ التجربة عندما يترسب underlayer الفاناديوم من طريقة المغنطرون الاخرق. في حالة عدم وجود مصدر الاخرق، استنساخ عالية ويمكن أيضا لا يزال يتحقق من خلال إيداع underlayer الفاناديوم باستخدام طريقة التبخير الحراري، شريطة أن يكون نظام ترسب هكتارسا انخفاض ضغط قاعدة (≤ 5 × 10 ^-7 عربة). الرجوع إلى الخطوة 3.1.2 للحصول على التفاصيل.
1. الفاناديوم ترسب مع مصدر المغنطرون الاخرق.
  1. بدء تدفق الأرجون في مصدر الاخرق. ضبط معدل تدفق إلى 40 SCCM.
  2. ضبط معدل ثورة مضخة turbomolecular للضغط الغرفة 2.5 mTorr.
  3. في حين أن الغرفة هو الوصول تدريجيا ضغوطها حالة مستقرة، تعيين عوامل المعايرة سمك إلى QCM. لالفاناديوم، والكثافة 5.96 جم / سم ³ وعامل Z هو 0.530.
  4. بدوره على مصدر الاخرق DC وتعيين السلطة في 200-250 دبليو لنظام ترسب تشغيلها من قبل المؤلفين، ومعدل ترسب حوالي 0.4 A / ثانية في هذه السلطة. دون فتح مصراع الركيزة، والحفاظ على مصدر تشغيل لمدة 2 دقيقة.
    ملاحظة: من خلال هذه الخطوة إزالة أكسيد الأصلي على مصدر الفاناديوم، وتعريض سطح الفاناديوم الطازجة.
  5. فتح مصراع الركيزة لبدء depositio الفاناديومن. في هذه الأثناء، إعادة تعيين سمك المتراكمة من QCM إلى الصفر.
  6. تواصل ترسب حتى تراكمت لسمك واضحا من 20 نانومتر، في القراءة QCM. إغلاق مصراع الركيزة.
  7. تنخفض تدريجيا قوة تفل إلى الصفر. تحويل مصدر خارج.
  8. اغلاق تدفق الأرجون. عودة ضخ turbomolecular لقوتها الكاملة.
2. (اختياري، لنظام الترسيب التي ليست مجهزة مصدر الاخرق) الفاناديوم ترسب مع مصدر التبخير الحراري.
  1. بسبب نقطة انصهار عالية من الفاناديوم (1910 ° C) واستعدادها للأكسدة، فمن المستحسن أن التبخر الحراري التي ستجرى عند ضغط قاعدة 5 × 10 ^-7 عربة أو أقل.
  2. تعيين عوامل المعايرة سمك إلى QCM. لالفاناديوم، والكثافة 5.96 جم / سم ³ وعامل Z هو 0.530.
  3. بدوره على امدادات الطاقة الحرارية التبخر إلى مصدر الفاناديوم.زيادة ببطء التدفئة السلطة إلى القارب التنغستن حتى تذوب الرخويات الفاناديوم.
  4. مع الإبقاء على مصراع الركيزة مغلقة، وزيادة ببطء السلطة التسخين حتى نسبة ترسب 2 Å / ثانية يتحقق، في القراءة QCM. فتح مصراع الركيزة لبدء ترسب الفاناديوم. في هذه الأثناء، إعادة تعيين سمك المتراكمة من QCM إلى الصفر.
  5. تواصل ترسب حتى تراكمت لسمك واضحا من 50 نانومتر. إغلاق مصراع الركيزة.
  6. تنخفض تدريجيا قوة التبخر الحرارية إلى الصفر. تحويل مصدر خارج.
ترسب أسلاك البزموت
1. لترسب البزموت في درجة حرارة فوق أو تحت RT، تعيين القيمة المطلوبة للتحكم في درجة الحرارة. انتظر حتى يتم الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة.
2. تعيين عوامل المعايرة سمك إلى QCM. لالبزموت، والكثافة 9.78 جم / سم ³ وعامل Z هو 0.790.
3. بدوره على قوة التبخر الحرارية سوبتقديم طلب إلى مصدر البزموت. زيادة ببطء التدفئة السلطة إلى القارب التنغستن حتى معدل ترسب 2 Å / ثانية يتحقق، في القراءة QCM.
4. فتح مصراع الركيزة لبدء ترسب البزموت. في هذه الأثناء، إعادة تعيين سمك المتراكمة من QCM إلى الصفر.
5. تواصل ترسب حتى تراكمت لسمك واضحا من 50 نانومتر. إغلاق مصراع الركيزة.
6. تنخفض تدريجيا قوة التبخر الحرارية إلى الصفر. تحويل مصدر خارج.
7. إيقاف إمدادات الطاقة إلى الحرارية الكهربائية برودة / سخان.
8. تنفيس غرفة ترسب للضغط الغلاف الجوي وفتح غرفة. استرداد حامل الركيزة وجمع أسلاك البزموت ركائز مغطاة.

النتائج

وتعرض الصور SEM مستعرضة من underlayers الفاناديوم التي شكلتها الاخرق المغناطيسية وطرق التبخير الحراري في الشكل 2. المجهر الإلكتروني ترد (SEM) وصور للأسلاك البزموت تشكلت في درجات الحرارة الركيزة مختلفة (الشكل 3). يتم تحديد التركيب البلوري للأسلاك البزموت من ?...

Discussion

نمو الأسلاك النانوية البزموت هو أن تجرى في نظام ترسيب البخار المادي مع اثنين على الأقل من مصادر ترسب، واحدة للالبزموت وآخر للالفاناديوم. فمن المستحسن أن أحد المصادر هو مصدر الاخرق المغنطرون، لترسب الفاناديوم. ويتحقق فراغ عالية من مضخات turbomolecular مدعومة مضخة التمرير ا...

Disclosures

Authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Research is carried out at the Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory, which is supported by the U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, under Contract No. DE-SC0012704.

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

References

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).
Akimov, A. V., et al. Generation of single optical plasmons in metallic nanowires coupled to quantum dots. Nature. 450, 402-406 (2007).
Thurn-Albrecht, T., et al. Ultrahigh-density nanowire arrays grown in self-assembled diblock copolymer templates. Science. 290, 2126-2129 (2000).
Xia, Y. N., et al. One-dimensional nanostructures: Synthesis, characterization, and applications. Adv. Mater. 15, 353-389 (2003).
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).
Yang, P. D., et al. Controlled growth of ZnO nanowires and their optical properties. Adv. Funct. Mater. 12, 323-331 (2002).
Allen, J. E., et al. High-resolution detection of Au catalyst atoms in Si nanowires. Nature Nanotech. 3, 168-173 (2008).
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).
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).
Sandomirskii, V. B. Quantum size effect in a semimetal film. Sov. Phys. JETP. 25, 101-106 (1967).
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).
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).
Hofmann, P. The surfaces of bismuth: Structural and electronic properties. Prog. Surf. Sci. 81, 191-245 (2006).
Huber, T. E., et al. Confinement effects and surface-induced charge carriers in Bi quantum wires. Appl Phys Lett. 84, 1326-1328 (2004).
Huber, T. E., et al. Surface state band mobility and thermopower in semiconducting bismuth nanowires. Phys. Rev. B. 83, 235414-23 (2011).
Dresselhaus, M. S., et al. . 23, 129-140 (2003).
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).
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).
Shim, W., et al. On-film formation of Bi nanowires with extraordinary electron mobility. Nano Lett. 9, 18-22 (2009).
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).
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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

106

This article has been published

Video Coming Soon

Keep me updated: