Crescita senza semi di bismuto Nanowire Array via Vacuum evaporazione termica

Riepilogo

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

Abstract

Ecco una tecnica senza semi e senza modello è dimostrato scalably crescere nanofili di bismuto, per evaporazione termica in alto vuoto a temperatura ambiente. Convenzionalmente riservato per la fabbricazione di film sottili metallici, depositi evaporazione termica bismuto in un array di nanofili verticali monocristallino su una sottile pellicola piatta di vanadio tenuto a RT, che è appena depositato mediante sputtering o evaporazione magnetron termico. Controllando la temperatura del substrato di crescita la lunghezza e la larghezza dei nanofili possono essere sintonizzati in un ampio intervallo. Responsabile di questo romanzo è una tecnica finora sconosciuta meccanismo di crescita nanowire che radici nella la porosità mite del film sottile di vanadio. Infiltrata nei pori vanadio, i domini bismuto (~ 1 nm) trasportano eccessiva energia superficiale che sopprime il loro punto di fusione e li espelle continuamente dalla matrice di vanadio per formare nanofili. Questa scoperta dimostra la fattibilità del vapore scalabile fase di synthESIS di elevata purezza nanomateriali senza l'uso di catalizzatori.

Introduzione

Nanowires limitano il trasporto di portatori di carica e altri quasiparticelle, come fotoni e plasmoni in una dimensione. Di conseguenza, nanofili di solito presentano nuove proprietà elettriche, magnetiche, ottiche e chimiche, che accordano loro potenziale pressoché infinita per applicazioni in micro / nano elettronica, fotonica, tecnologie biomedicali, ambientali ed energetiche. ^1,2 Nel corso degli ultimi due decenni, numerosi top-down e bottom-up sono stati sviluppati per la sintesi di una vasta gamma di metalli o semiconduttori nanofili di alta qualità a livello di laboratorio. ^3-6 Nonostante questi sviluppi, ogni approccio si basa su alcune proprietà uniche del prodotto finale per il suo successo. Per esempio, il metodo popolare vapore-liquido-solido (VLS) è migliore misura per i materiali semiconduttori che hanno punti di fusione più alti e formano lega eutettica con corrispondenti "semi" catalitici. ⁷ Di conseguenza, la sintesi di un nanofilomateriale di particolare interesse non può essere coperta da tecniche esistenti.

Come un semimetallo con piccola sovrapposizione indiretta banda (-38 meV a 0 K) e portatori di carica insolitamente leggeri, bismuto è un esempio. Il materiale si comporta radicalmente diverso in dimensioni ridotte rispetto al loro volume, il confinamento quantistico potrebbe girare nanofili bismuto o film sottili in una stretta banda proibita semiconduttori. ^8-12 Nel frattempo, la superficie di un metallo bismuto forme quasi-bidimensionale che è significativamente più metallico di suo ingombro. ^13,14 È stato mostrato che la superficie di bismuto raggiunge una mobilità elettronica di 2 × 10 ⁴ cm ^{-1 2} V sec ^-1 e contribuisce fortemente alla sua termoelettrica in forma nanofili. ¹⁵ Come tale, ci sono interessi significativi di studio nanofili bismuto per elettronica e in particolare le applicazioni termoelettriche. ^12-16 Tuttavia, a causa di bismuto molto bassopunto di fusione (544 K) e la disponibilità per l'ossidazione, essa rimane una sfida di sintesi di alta qualità e singole nanofili bismuto cristallino con tecniche tradizionali di fase in fase di vapore o la soluzione.

In precedenza, è stato riportato da alcuni gruppi che monocristallino nanofili bismuto crescono a bassa resa durante vuoto deposizione di film sottili di bismuto, che è attribuito al rilascio di stress incorporato nel film. ^17-20 Recentemente, abbiamo scoperto un romanzo tecnica che si basa sulla evaporazione termica di bismuto sotto alto vuoto e porta alla formazione scalabile singoli nanofili bismuto cristallino ad alta resa. ²¹ Confrontando precedentemente riferito metodi, la caratteristica più unica di questa tecnica è che il substrato di crescita è appena rivestito con un sottile strato di nanoporoso vanadio prima bismuto deposizione. Durante evaporazione termica di quest'ultimo, vapore bismuto infiltra nella struttura nanoporoso del furgonepellicola Adium e condensa lì come nanodomini. Dal momento che il vanadio risulti umido per bismuto condensata, i domini infiltrate vengono successivamente espulsi dalla matrice di vanadio a rilasciare la loro energia di superficie. È l'espulsione continua delle nanodomini bismuto che formano nanofili bismuto verticali. Poiché i domini bismuto sono solo 1-2 nm di diametro, sono soggetti alla soppressione significativa punto di fusione, che li rende quasi fuso a RT. Come risultato, la crescita nanofili procede con il substrato presso RT. D'altra parte, come la migrazione dei domini bismuto viene attivato termicamente, la lunghezza e la larghezza dei nanofili possono essere sintonizzati in un ampio intervallo, semplicemente controllando la temperatura del substrato di crescita. Questo protocollo dettagliato video è destinato per aiutare i nuovi operatori del settore evitare vari problemi comuni associati con deposizione di vapore fisico di film sottili sotto vuoto spinto, ambiente privo di ossigeno.

Protocollo

Attenzione: Si prega di consultare tutte le schede di sicurezza pertinenti (MSDS) prima dell'uso. I nanomateriali possono avere rischi aggiuntivi rispetto alla loro controparte massa. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si maneggiano i substrati nanomateriali coperte, compreso l'uso di controlli tecnici (cappa) e dispositivi di protezione individuale (occhiali, guanti, camice, pantaloni a figura intera, chiuso-toe scarpe).

1. Lavori preparatori

1. Preparazione del sistema di deposizione di vapore
   1. Sfiatare la camera di deposizione a pressione atmosferica e aprire la camera. La ventilazione avviene premendo il pulsante "Start PC Ventilazione" sull'interfaccia software di controllo, che si avvia automaticamente una sequenza che la camera di sfogo di pressione atmosferica. Raggiunta la pressione atmosferica aprire la camera tirando la porta che accede anteriore.
   2. Montare una barca evaporazione del tungsteno (allumina rivestito) tra una coppia di elettrodi evaporazione termica. Posizionare 1pellet g bismuto nella barca di evaporazione.
   3. Montare un obiettivo di vanadio sputtering alla sorgente magnetron sputtering. Vedere il passo 1.1.4) per sistema di deposizione che non è dotato di una sorgente di sputtering.
   4. (Opzionale, per sistema di deposizione che non è dotato di una sorgente di sputtering) Montare una barca evaporazione del tungsteno fra una coppia di elettrodi evaporazione termica. Mettere 0,5 g lumache vanadio nella barca evaporazione.
   5. Collegare i connettori mini-banane (due per il riscaldamento / raffreddamento di alimentazione e due per sonda di temperatura) del controller di temperatura a circuito chiuso per il passante elettrico del sistema di deposizione.
2. Preparazione di substrati di crescita
   Nota: La formazione di nanofili bismuto è insensibile al substrato di crescita di scelta. Risultati simili sono stati ottenuti dal vetrino, wafer di silicio, o lamiera. È raccomandato da che il substrato deve essere pulito immediatamente prima il vapore gli autoriprocesso di deposizione, al fine di ottenere un'adesione coerente del sottostrato vanadio. Varie tecniche di pulizia substrato, compresa la pulizia al plasma e pulizia chimica umida, possono essere applicati e portano a risultati analoghi.
   1. Pulizia dei substrati di crescita di plasma di ossigeno
      1. Posizionare i substrati di crescita in un pulitore di plasma e pompare la camera, premendo il tasto "VAC ON", per la sua pressione di base di 10 mTorr.
      2. Aprire la valvola del gas di ossigeno e di introdurre il gas ossigeno nella camera premendo il tasto "GAS" sul pannello frontale e regolare la portata premendo i pulsanti "DECR" per il controllo della portata di gas "INCR" e per mantenere una pressione della camera di circa 100 mTorr.
      3. Impostare la potenza del plasma a 20 W premendo i pulsanti "DECR" "INCR" e per il controllo del potere e accendere il plasma premendo il tasto "RF ON".
      4. Attendere 5 minuti prima di spegnere il plasma premendo il tasto "; RF ON ". Pulsante Vent camera premendo il pulsante" BLEED "e recuperare i substrati.
   2. Pulizia dei substrati di crescita con il metodo chimico bagnato
      1. Immergere i substrati di crescita in acetone contenute in un becher. Porre il bicchiere in un ultrasonicatore e sonicare per 2 minuti alla massima potenza.
      2. Rimuovere i substrati dal bicchiere e sciacquare con un flusso di alcol assoluto da un flacone di lavaggio per 30 sec.
      3. Essiccare i substrati in un flusso di azoto gassoso.
3. Substrato carico e sistema di deposizione di pompaggio
   1. Montare il gruppo di controllo temperatura del substrato al titolare substrato.
   2. Utilizzare fermagli per montare i substrati di crescita sopra il gruppo refrigerante / riscaldamento Peltier.
   3. Montare il supporto substrato completamente assemblato nella camera di deposizione di vapore, con i substrati di fronte alle sorgenti di deposizione. Collegare i passanti elettrici allaPeltier raffreddamento / gruppo riscaldante.
   4. Chiudere l'otturatore substrato per evitare la deposizione involontaria al substrato.
   5. Iniziare a pompare lungo la camera di deposizione. Il pompaggio avviene premendo il pulsante "Start PC pompaggio" sull'interfaccia software di controllo, che si avvia automaticamente una sequenza che pompa la camera per la sua pressione di base.

2. Crescita di bismuto Nanofili

Nota: L'esperimento non si muove al passo successivo fino alla pressione di base della camera di deposizione ha raggiunto 2 × 10 ^-6 Torr o inferiore.

1. La deposizione di sottostrato vanadio
   Nota: La migliore riproducibilità sperimentale si ottiene quando il sottostrato vanadio viene depositato dal metodo magnetron sputtering. In assenza di una fonte di sputtering, alta riproducibilità può essere ancora ottenuto depositando sottostrato vanadio con metodo di evaporazione termica, a condizione che il sistema di deposizione hasa bassa pressione di base (≤ 5 × ¹⁰ -7 Torr). Fare riferimento al punto 3.1.2 per i dettagli.
   1. Vanadium deposizione con una sorgente magnetron sputtering.
      1. Inizia flusso argon nell'origine sputtering. Impostare la velocità di flusso di 40 sccm.
      2. Regolare la velocità di rivoluzione della pompa turbomolecolare per una pressione della camera di 2,5 mTorr.
      3. Mentre la camera sta raggiungendo gradualmente la sua pressione stato stazionario, impostare i fattori di calibrazione spessore al QCM. Per vanadio, la densità è 5.96 g / cm ³ e Z-fattore è 0.530.
      4. Accendere la sorgente sputtering DC e impostare la potenza 200-250 W. Per il sistema di deposizione operata dagli autori, la velocità di deposizione è di circa 0,4 A / sec a questa potenza. Senza aprire l'otturatore substrato, mantenere la sorgente corsa per 2 min.
         NOTA: Tramite questo passo l'ossido nativo sulla fonte di vanadio è rimosso, esponendo la superficie di vanadio fresco.
      5. Aprire l'otturatore substrato per iniziare Depositio vanadion. Nel frattempo, ripristinare lo spessore accumulato della QCM a zero.
      6. Continuare deposizione fino uno spessore apparente di 20 nm è accumulato, per lettura QCM. Chiudere l'otturatore substrato.
      7. Gradualmente diminuire la potenza polverizzazione a zero. Spegnere la sorgente.
      8. Chiudere il flusso di argon. Riportare la pompa turbomolecolare per tutta la sua potenza.
   2. (Opzionale, per sistema di deposizione che non è dotato di una sorgente di sputtering) Vanadio deposizione con una sorgente di evaporazione termica.
      1. Dato l'elevato punto di fusione di vanadio (1.910 ° C) e la sua disponibilità all'ossidazione, si raccomanda che la sua evaporazione termica per essere condotta ad una pressione di base di 5 × 10 ^-7 Torr o inferiore.
      2. Impostare i fattori di calibrazione spessore al QCM. Per vanadio, la densità è 5.96 g / cm ³ e Z-fattore è 0.530.
      3. Accendere evaporazione termica alimentazione alla fonte di vanadio.Lentamente aumentare la potenza di riscaldamento alla barca tungsteno fino a quando i proiettili vanadio fondono.
      4. Con l'otturatore substrato mantenuta chiusa, lentamente aumentare la potenza di riscaldamento fino a una velocità di deposizione di 2 Å / s si ottiene, per la lettura QCM. Aprire l'otturatore substrato per iniziare la deposizione di vanadio. Nel frattempo, ripristinare lo spessore accumulato della QCM a zero.
      5. Continuare fino a quando un deposito di spessore apparente di 50 nm è accumulato. Chiudere l'otturatore substrato.
      6. Gradualmente diminuire la potenza evaporazione termica a zero. Spegnere la sorgente.
2. La deposizione di nanofili bismuto
   1. Per la deposizione di bismuto a temperatura superiore o inferiore RT, impostare il valore desiderato per il regolatore di temperatura. Attendere fino al raggiungimento della temperatura desiderata.
   2. Impostare i fattori di calibrazione spessore al QCM. Per bismuto, la densità è 9.78 g / cm ³ e Z-fattore è 0,790.
   3. Accendere il evaporazione termica supplicare alla sorgente di bismuto. Lentamente aumentare la potenza di riscaldamento alla barca tungsteno fino a quando la velocità di deposizione di 2 Å / s si ottiene, per la lettura QCM.
   4. Aprire l'otturatore substrato per iniziare la deposizione di bismuto. Nel frattempo, ripristinare lo spessore accumulato della QCM a zero.
   5. Continuare fino a quando un deposito di spessore apparente di 50 nm è accumulato. Chiudere l'otturatore substrato.
   6. Gradualmente diminuire la potenza evaporazione termica a zero. Spegnere la sorgente.
   7. Spegnere alimentazione del dispositivo di raffreddamento / riscaldamento elettrico termico.
   8. Sfiatare la camera di deposizione a pressione atmosferica e aprire la camera. Recuperare il supporto substrato e raccogliere i nanofili bismuto substrati coperti.

Risultati

Le immagini a sezione trasversale SEM di sottostrati vanadio formate da magnetron sputtering e metodi evaporazione termica sono presentati nella Figura 2. Microscopia elettronica a scansione (SEM) immagini sono rappresentati per nanofili bismuto formate a diverse temperature del substrato (Figura 3). La struttura cristallina dei nanofili bismuto viene determinata tramite microscopia elettronica a trasmissione (TEM), selettivo zona diffrazione di elettroni (SAED), e diff...

Discussione

La crescita di nanofili bismuto deve essere condotta in un sistema di deposizione da vapore fisico con almeno due fonti di deposizione, uno per bismuto e un'altra per vanadio. Si raccomanda che una delle fonti è una sorgente magnetron sputtering, per la deposizione di vanadio. Alto vuoto si ottiene un pompe turbomolecolari sostenuta da una pompa di scorrimento a secco. Il sistema di deposizione di vapore è dotato di una microbilancia al quarzo calibrata (QCM) per il monitoraggio in situ spessore. Il siste...

Materiali

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