铋纳米线阵列通过真空热蒸发无核增长

摘要

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

摘要

这里一个无籽和无模板技术被证明可伸缩在高真空中在RT生长铋纳米线，通过热蒸发。为金属薄膜，热蒸发沉积的制造铋成垂直单晶纳米线以上的钒在室温保持一个平坦的薄膜，这是新鲜的磁控溅射或热蒸发沉积的阵列通常保留。通过控制生长衬底的温度的纳米线的长度和宽度可以调节在宽范围内。负责这种新颖的技术是一种以前未知的纳米线生长机理，在钒薄膜的孔隙率温和根。渗入毛孔钒，铋域（约1纳米）进行过度的表面能，抑制它们的熔点，不断驱逐出来的钒基体形成纳米线。这一发现证明了可扩展的气相合成器的可行性高纯度纳米材料ESIS不使用任何催化剂。

引言

纳米线限制电荷载体和其他的准粒子，诸如光子和等离子体的传输在一个方面。因此，纳米线通常表现新颖的电，磁，光，化学性能，这对于微/纳米电子学，光子学，生物医学，环境和能源相关技术的应用赋予他们几乎无限的潜力^。1,2在过去的二十年中，无数顶向下和自底向上方法已经发展到合成各种高品质的金属或半导体纳米线的在实验室规模^3-6尽管这些进展，每一种方法依赖于对于其成功的最终产品的某些独特性质。例如，流行的气-液-固（VLS）的方法是更适合用于具有较高的熔点，并与相应的催化"种子"形成共晶合金^。7作为结果，半导体材料，纳米线的合成特别令人感兴趣的材料可能不被包括在现有的技术。

作为一种半金属小间接带重叠（-38兆电子伏在0 K）和不寻常的光电荷载体，铋就是这样一个例子。相比，其体积的材料表现在降低的尺寸完全不同，因为量子约束可以把铋纳米线或薄膜成窄带隙半导体^8-12在此期间，铋形成表面上的准二维金属比其体积显著多种金属^。13,14-结果表明铋的表面达到2×10 ⁴厘米^{2 V} -1 ^秒 -1的电子迁移率和强烈有助于其热电功率在纳米线的形式^。15作为这样，有钻研铋纳米线为电子，特别热电应用显著利益^12-16然而，由于铋的非常低的熔点（544 K）和准备用于氧化，但仍然为合成高品质和使用传统的汽相或溶液相技术单晶铋纳米线是一个挑战。

此前，已经报道由几组，在铋薄膜，这是由于应力的内置于膜中的释放的真空沉积单晶铋纳米线生长在低收率^17-20最近，我们发现了一种新技术，它是基于在高真空下铋的热蒸发，并导致高收率可伸缩形成单晶铋纳米线^。21相较于先前报道的方法，该技术的最独特的特征是，在生长衬底是新鲜涂覆有一层薄薄的铋沉积之前纳米多孔钒。在后者的热蒸发，铋蒸汽渗透到车的纳米多孔结构Adium的电影和凝结那里作为纳米畴。因为钒未被冷凝的铋润湿，渗透的域随后从钒矩阵逐出释放其表面能。它是铋纳米畴形成垂直铋纳米线的连续驱逐。由于铋域只有1-2纳米的直径，他们是受显著熔点抑制，这使得他们几乎熔化在室温。其结果是，纳米线的生长与在室温保持的基板进行。另一方面，作为铋畴的迁移被热激活时，纳米线的长度和宽度，可以通过简单地控制生长衬底的温度调谐在宽范围内。该详细视频协议的目的是帮助新从业人员在实地避免与薄膜中的高真空，无氧的环境中的物理汽相沉积相关联的各种常见的问题。

研究方案

注意:使用前请咨询所有相关的材料安全数据表（MSDS）。相比，他们的大部分对手纳米材料可能有额外的危险。处理纳米材料覆盖的基板时，包括利用工程控制（通风柜）和个人防护装备的请使用一切适当的安全措施（安全眼镜，手套，实验室外套，全长长裤，闭趾鞋）。

1.准备工作

1. 气相沉积系统的制备
   1. 泄沉积室到大气压力，并打开该室。排空是通过按压控制软件接口，它自动开始的序列泄腔室向大气压力的"启动PC放空"按钮来完成。在达到大气压拉动前访问门打开密室。
   2. 一对热蒸发电极之间挂载的钨蒸发舟（氧化铝涂层）。将1摹铋颗粒进入蒸发舟。
   3. 装入钒溅射靶的磁控管溅射源。参照步骤1.1.4）为没有配备有溅射源沉积系统。
   4. （ 可选的，为没有配备有溅射源沉积系统 ）安装的一对热蒸发电极之间的钨蒸发舟。将0.5克钒蛞蝓进入蒸发舟。
   5. 闭环温度控制器的微型香蕉连接器（两个用于加热/冷却功率，两个用于温度探头）连接到淀积系统的电馈通。
2. 生长基质制备
   注意:铋纳米线的形成是不敏感的选择的生长衬底。类似的结果已经从载玻片，硅晶片，或金属片获得的。建议由衬底进行清洁之前立即蒸气的作者沉积过程中，为了达到钒垫层的一个一致的附着力。各种衬底清洗技术，包括等离子体清洗和湿化学清洗，可以应用并导致类似的结果。
   1. 清洁生长基质由氧等离子体
      1. 将生长基质成等离子体清洁器和泵腔室，通过按"VAC ON"键，以10毫乇其基本压力。
      2. 打开氧气阀和通过按"GAS ON"键面板上引入氧气至腔室并通过按下"INCR"和"DECR"按钮，用于气体流量控制，以保持腔室压力调节流量约100毫乇。
      3. 通过按下"INCR"和"DECR"按钮用于功率控制设置等离子体功率在20瓦，并按下"RF ON"按钮点燃等离子体。
      4. 关闭血浆按前等待5分钟"的RF开"。按钮放空室通过按"BLEED"按钮，检索衬底。
   2. 清洁生长基质通过湿化学法
      1. 浸入包含在一个烧杯中丙酮的生长衬底。将烧杯到超声发生器和超声处理2分钟，在最大功率。
      2. 从烧杯中取出基片，并与无水乙醇从洗瓶30秒的流冲洗。
      3. 干燥基板在氮气气流。
3. 衬底装载和沉积系统抽
   1. 将基板温度控制组件贴装到衬底支架。
   2. 使用弹簧夹装入生长基质上的珀耳帖冷却器/加热器组件的顶部。
   3. 完全组装的衬底保持器安装到蒸镀室，与面对淀积源的衬底。连接电馈送到佩尔蒂埃冷却器/加热器组件。
   4. 关闭衬底挡板，以避免无意的沉积在基底上。
   5. 启动抽真空沉积室中。泵送通过按下控制软件接口，它自动开始的序列泵室向它的基本压力"开始的PC泵送"按钮来完成。

2.成长铋纳米线

注意:实验不移动到下一步骤，直至淀积室的底部压力达到^2×10 -6乇或更低。

1. 钒底层的沉积
   注意:当钒垫层由磁控管溅射法淀积的最佳实验的再现性得以实现。在没有溅射源的，高重复性也可以仍然通过使用热蒸发法沉积钒垫层实现的，条件是该沉积系统公顷SA基数较低压力（≤5×10 ^-7托）。参照步骤3.1.2细节。
   1. 钒沉积用的磁控管溅射源。
      1. 开始在溅射源氩气流。设置流速为40 SCCM。
      2. 调整涡轮分子泵的转速为2.5毫托的室压。
      3. 虽然腔逐渐达到其稳定状态的压力，设置厚度校准因素对QCM。为钒，密度为5.96克/厘米³以及Z因子是0.530。
      4. 打开DC溅射源，并设置在功率200-250 W的由作者操作的沉积系统，所述沉积速率为约0.4埃/秒，在此功率。无需打开衬底快门，保持源运行2分钟。
         注:通过本步骤的钒源的天然氧化物除去，露出新鲜钒表面。
      5. 打开基板快门启动钒沉积物等ñ。在此期间，重置QCM的累积厚度为零。
      6. 继续沉积直到20nm的表观厚度累积，每QCM读数。关闭基板快门。
      7. 逐渐减小溅射功率到零。关闭播放源。
      8. 关闭氩气流。返回涡轮分子泵以充分发挥其威力。
   2. （ 可选的，为没有配备有溅射源沉积系统 ）钒沉积与热蒸发源。
      1. 由于钒的熔点高（1910 ℃）和它准备氧化，所以建议以在5×10 ^-7乇或更低的基础压力下进行其热蒸发。
      2. 设置厚度校准因素对QCM。为钒，密度为5.96克/厘米³以及Z因子是0.530。
      3. 打开热蒸发电源到钒源。缓慢增加加热功率的钨舟，直到钒蛞蝓融化。
      4. 与基板快门保持关闭，慢慢增加加热功率直到2埃/秒的沉积速率达到，每QCM读数。打开基板快门启动钒沉积。在此期间，重置QCM的累积厚度为零。
      5. 继续沉积直到50nm的表观厚度被积累。关闭基板快门。
      6. 逐渐减小热蒸发功率到零。关闭播放源。
2. 铋纳米线的沉积
   1. 铋沉积在温度高于或低于室温，设置所需的值到温度控制器。等待，直到所需的温度为止。
   2. 设置厚度校准因素对QCM。为铋，密度为9.78克/厘米³以及Z因子是0.790。
   3. 打开热蒸发功率苏pply到铋源。慢慢增加加热功率的钨舟直到2埃/秒的沉积速率来实​​现，每QCM读数。
   4. 打开基板快门启动铋沉积。在此期间，重置QCM的累积厚度为零。
   5. 继续沉积直到50nm的表观厚度被积累。关闭基板快门。
   6. 逐渐减小热蒸发功率到零。关闭播放源。
   7. 关掉电源到热电冷却器/加热器。
   8. 泄沉积室到大气压力，并打开该室。检索衬底支架和收集铋纳米线覆盖衬底。

结果

通过磁控溅射和热蒸发方法形成的钒底层的横截面SEM图像示于图2。扫描电子显微镜（SEM）图像呈现为形成在不同的衬底温度铋纳米线（图3）。该晶体的铋纳米线结构是通过透射电子显微镜（TEM），选择区域电子衍射（SAED），和X射线衍射（XRD）研究（ 图4）来确定。通过能量色散X射线光谱仪的元素分析表明，铋纳米线未 ​​合金化的钒底层（

讨论

铋纳米线的生长是要在物理气相沉积系统具有至少两个沉积源，一个用于铋，另一个用于钒进行的。所以建议的来源之一是一个磁控管溅射源，钒的沉积。高真空是通过干式涡旋泵的支持一个分子泵实现。的气相沉积系统， 在原地膜厚监控配备校准的石英晶体微天平（QCM）为。的气相沉积系统具有电馈送对于生长衬底闭环温度控制。热电温度控制器提供加热/冷却到衬底上，通过被热粘合?...

材料

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