الهباء الجوي-ساعد ترسب البخار الكيميائي للهياكل المعدنية المؤكسدة: قضبان أكسيد الزنك
Summary
يتم توليف هياكل عمودية أكسيد الزنك في شكل قضبان عبر مساعدة الهباء الجوي بخار الكيميائية ترسب دون الاستخدام المودعة قبل البذور محفز جزيئات. هذا الأسلوب للتحجيم ومتوافقة مع مختلف ركائز تستند أما السليكون أو الكوارتز أو البوليمرات.
Abstract
في حين قد تم توليفها هياكل عمودية أكسيد الزنك (أكسيد الزنك) في شكل قضبان أو أسلاك سابقا بطرق مختلفة سائل أو بخار المرحلة، عن ارتفاع تكلفة الإنتاج و/أو عدم التوافق مع التكنولوجيات ميكروفابريكيشن، نتيجة لاستخدام بذور محفز قبل إيداع و/أو معالجة ارتفاع درجات حرارة تتجاوز 900 درجة مئوية، تمثل عيب الاستخدام الواسع النطاق لهذه الأساليب. هنا، ومع ذلك، نحن تقرير توليف أكسيد الزنك قضبان عبر إليه بخار الصلبة غير حفزت ممكناً باستخدام طريقة ترسيب (الرسوم التعويضية) المدعوم من الهباء الجوي بخار كيميائية على 400 درجة مئوية مع كلوريد الزنك (زنكل2) السلائف والايثانول المذيب الناقل. يوفر هذا الأسلوب خطوة واحدة تشكيل قضبان أكسيد الزنك وإمكانية دمجها مباشرة مع مختلف أنواع الركازة، بما في ذلك السليكون والأنظمة الأساسية المستندة إلى السليكون ميكروماتشينيد والكوارتز، أو البوليمرات مقاومة للحرارة العالية. يحتمل أن هذا يسهل استخدام هذه الطريقة على نطاق واسع، نظراً لتوافقه مع ميكروفابريكيشن الدولة من أحدث عمليات تصنيع الجهاز. هذا التقرير أيضا يصف خصائص هذه الهياكل (مثلاً، مورفولوجيا، المرحلة البلورية، فجوة الفرقة البصرية، والتركيب الكيميائي، المقاومة الكهربائية) والتحقق من الغاز الاستشعار عن وظائف نحو أول أكسيد الكربون.
Introduction
أكسيد الزنك هو ثانيا-أشباه الموصلات السادس مع فجوة مباشرة واسعة نطاق (3.37 eV)، أكسيتون كبيرة ملزمة الطاقة (60 مليون إلكترون فولط) والاستقطاب العفوي وثوابت كهرضغطية التي تجعل من مادة جذابة للإلكترونيات والإلكترونيات الضوئية ومولدات الطاقة، photocatalysis والاستشعار الكيميائية. وتتعلق معظم وظائف مثيرة للاهتمام من أكسيد الزنك لهيكلها كريستال وورتزيتي وبه غير القطبية (مثلاً، {100}، {110}) والأسطح القطبية (مثلاً، {001}، {111}) المنتسبة إلى محددة الأشكال المورفولوجية منظم (مثلاً ، قضبان، والأهرامات، ولوحات). ويتطلب السيطرة على هذه الأشكال المورفولوجية الأساليب الاصطناعية قادرة على إنتاج بلورات محددة تحديداً جيدا، مع حجم موحد والشكل والهيكل السطحي1،2،،من34. في هذا السياق، جديدة مضافة (توليف من أسفل إلى أعلى) صناعة الاستراتيجيات، خاصة تستند إلى طرق مرحلة البخار صناعيا جذابة ويحتمل أن تكون مفيدة كما أنها توفر القدرة على توليد منظم الأفلام في مستمرة بدلاً من ذلك من الوضع الدفعي بدرجة نقاء عالية وعالية الإنتاجية. أثبتت هذه الطرق تشكيل أكسيد الزنك منظم الأفلام سابقا، ولكن عادة ما تستخدم البذور محفز مثل الذهب و/أو معالجة ارتفاع درجات الحرارة من 900-1,300 درجة مئوية2 {وانغ، 2008 #491} (وهذا قد يكون غير مريح لبعض تصنيع العمليات نظراً للحاجة إلى خطوات تجهيز إضافية و/أو عدم التوافق في درجة الحرارة برقاقة التكامل.)
في الآونة الأخيرة، استخدمنا أسلوب بخار مرحلة استناداً إلى الرسوم التعويضية الهباء الجوي-بمساعدة من السلائف غير العضوية أو المعدنية العضوية لتحقيق الترسيب الانتقائي للهياكل المعدنية المؤكسدة (مثلاً، التنغستن أكسيد القصدير أو5أكسيد6)، دون وذكرت الحاجة إلى حافز-البذور وفي درجات حرارة أقل من تلك التي للرسوم التعويضية التقليدية. يعمل هذا الأسلوب عند الضغط الجوي ويمكن استخدام السلائف المتطايرة أقل مقارنة بالرسوم التعويضية التقليدية؛ القابلية للذوبان هو شرط السلائف الرئيسية، كما يتم تسليم الحل السلائف إلى منطقة رد الفعل في نموذج الهباء الجوي7. في الهباء الجوي-بمساعدة الرسوم التعويضية، تتأثر حركية التنو ونمو المواد المركبة والأغشية الرقيقة بتوليف درجة الحرارة وتركيز الأنواع المتفاعلة، التي تؤثر بدورها على النموذج المورفولوجي ل الفيلم8. في الآونة الأخيرة، لقد درس اعتماد مورفولوجيا أكسيد الزنك للهباء الجوي-بمساعدة الرسوم التعويضية ظروف مختلفة (بما في ذلك السلائف ودرجات الحرارة، والمذيبات الناقل، وتركيزات السلائف) والعثور على طرق لتشكيل أكسيد الزنك منظم مع قضبان، رقائق-أو مورفولوجيس رأسا على عقب-أسفل-مخروط-مثل، من بين أمور أخرى9.
هنا، نحن نقدم البروتوكول للرسوم التعويضية التي ساعدت الأيروسول عمودي هياكل أكسيد الزنك في شكل قضبان تتألف الأغلبية من السطوح {100}. هذا البروتوكول متوافق مع ركائز مختلفة بما فيها السيليكون، الأنظمة الأساسية المستندة إلى السليكون ميكروماتشينيد، والكوارتز، أو رقائق بوليميد مقاومة للحرارة العالية. وفي هذا التقرير، نركز على طلاء رقائق السليكون العارية والمنصات القائمة على السليكون ميكروماتشينيد المستخدمة لتصنيع أجهزة استشعار الغاز. الرسوم التعويضية من أكسيد الزنك ساعد الهباء الجوي يتكون من ثلاث خطوات المعالجة التي تشمل: إعداد الركازات والإعداد لدرجة حرارة الترسيب، وإعداد الحل لتوليد الهباء الجوي، وعملية الرسوم التعويضية. يتم وصف هذه الخطوات بالتفصيل أدناه وطريقة عرض تخطيطي عرض يتم عرض العناصر الرئيسية للنظام في الشكل 1.
Protocol
Representative Results
Discussion
إجراءات الرسوم التعويضية ساعد الأيروسول مفصلة هنا يؤدي إلى تشكيل قضبان أكسيد الزنك في البلاط السليكون من 10 × 10 مم. يمكن أن يكون هذا الإجراء زيادة معطف الأسطح أكبر؛ ومع ذلك، لاحظ أن زيادة في حجم الخلية رد فعل سيتطلب تعديل المعلمات، مثل معدل تدفق الناقل وحجم الحل. للخلايا رد فعل أكبر، ومن المستحسن أيضا للتحكم في درجة الحرارة التدرجات في الركازة، سبب التدرجات خفية لأقل من 10 درجات مئوية ربما لها تأثير قوي على مورفولوجية الناتجة من الفيلم، كما هو موضح سابقا الرسوم التعويضية الهباء الجوي-بمساعدة من أكسيد التنغستن8. لاستخراج النتائج ذكرت هنا، نوصي باستخدام رذاذ الموجات فوق الصوتية مع تردد التشغيل مماثلة من تلك الموصوفة في البروتوكول، كحجم متوسط الحبرية الأيروسول والتي تتأثر بدورها مورفولوجية الناتجة من الفيلم هذه المعلمة7.
كما يمكن أن تحققه انتقائية ترسب أكسيد الزنك مورفولوجيس الأخرى، بدلاً من قضبان، تغيير السلائف، وترسب درجات الحرارة أو المذيبات الناقل. على سبيل المثال، استخدام السلائف مثل ثنائي إثيل الزنك14 أو15 من خلات الزنك قد ثبت أن يؤدي إلى تشكيل الأشكال المورفولوجية الأخرى بدلاً من قضبان سداسية. لاحظنا أيضا أن استخدام ترسب مختلف درجات الحرارة خلال الرسوم التعويضية التي ساعدت الهباء الجوي تنتج التغيرات في مورفولوجية الأفلام، مما يسمح لتشكيل الأفلام الكريستالات في درجات حرارة أقل من 400 درجة مئوية، أكثر سمكا سداسية هياكل على درجات حرارة تزيد عن 400 درجة مئوية، أو هياكل متدهورة وأقل كثافة في الركيزة عندما تصل إلى 600 درجة مئوية. وبالمثل، يؤثر مورفولوجية الأفلام باستخدام المذيبات المختلفة، وعلى سبيل المثال، لقد أثبتنا مؤخرا أن تشجع استخدام الميثانول عند درجة حرارة 400 درجة مئوية ترسب تشكيل هياكل مع تقشر تشبه مورفولوجيا، بينما ويشجع استخدام الأسيتون في نفس درجة الحرارة تشكيل هياكل تشبه مخروط مقلوب9.
دور المذيبات الناقل ودرجة الحرارة كما لاحظت سابقا على الرسوم التعويضية التي ساعدت الهباء الجوي من هياكل أكاسيد معدنية أخرى (مثلاً، التنغستن أكسيد القصدير و5 أكسيد6)، وهو يعزى عموما إلى: تأثيرات المواد الكيميائية الناجمة عن رد الفعل الوسيطة، التي تصبح الأنواع النشطة لترسب أو الرد البلوتينيوم على شكل جسيمات صلبة في درجات حرارة المعالجة (وهذا أكثر احتمالاً للمذيبات مثل الميثانول والاسيتون، والتي يمكن أن تتحلل في درجات الحرارة المنخفضة مثل، < 500 درجة مئوية)؛ والتحوير لمعدلات الترسب (التمويه) والتبخر الحبرية (هذا المهيمن للمذيبات الإيثانول، التي لا تشكل الأنواع الراديكالي القائم على رد الفعل عند درجات الحرارة المستخدمة في تجاربنا على الأرجح).
البروتوكول ذكرته هنا متوافق مع العمليات ميكروفابريكيشن الدولة من أحدث الأجهزة الإلكترونية القائمة على السليكون وإمكانية إدراجها في العمليات التي تنطوي على مواد مرنة مقاومة للحرارة العالية نظراً للانخفاض النسبي درجات الحرارة للرسوم التعويضية التي ساعدت الهباء الجوي من الهياكل. بيد أنه من المهم أن نذكر أن استخدام الظل أقنعة للنمو الانتقائي للهياكل، مثل أساليب المبذورة يستند إليه بخار-السائلة-الصلبة16، قد تكون القيود في بعض عمليات التصنيع. من ناحية أخرى، إمكانية نمو الهياكل عبر الطريقة غير حفزت المقدمة هنا قد يكون ميزة أقل معدني والتلميع خطوات للتكامل برقاقة من الهياكل. بالإضافة إلى ذلك، قد تسمح درجات الحرارة المنخفضة نسبيا لتركيب قضبان أكسيد الزنك أيضا لاستخدام هذا الأسلوب مع تدفئة المترجمة، تقنية تستخدم لحصر البيئة الحرارية اللازمة لتحلل كلا من كواشف مختبر المرحلة بخار حركية النمو هياكل لمنطقة microscale، تخفيض كبير في استهلاك الطاقة من ارتفاع درجة الحرارة (ساخن-الجدار) مفاعلات17. استخدام التدفئة المحلية، على سبيل المثال، قد ثبت عمليا سابقا للرسوم التعويضية ساعد الهباء الجوي غير حفزت أكسيد التنغستن قضبان18. ويعد نمو عمودي هياكل أكسيد الزنك مع مورفولوجيا الخاضعة للرقابة، التي تسمح لاندماجها سهلة في الركازة مختلفة وعمليات ميكروفابريكيشن، ذات الاهتمام المشترك في مجالات مثل photocatalysis الاستشعار، الكيميائية والضوئيات والطاقة الحصاد، من بين أمور أخرى.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا العمل قد تم تدعمها جزئيا الإسبانية وزارة العلوم والابتكار عن طريق منحة TEC2015-74329-JIN-(AEI/FEDER,EU)، TEC2016-79898-C6-1-R (AEI/FEDER، الاتحاد الأوروبي)، والمجلس التنفيذي الانتقالي-2013-48147-C6-6R (AEI/FEDER، الاتحاد الأوروبي). SV تعترف بدعم البرنامج الثاني سوموبرو، financed co من الاتحاد الأوروبي ومنطقة مورافيا الجنوبية، عن طريق منحة 4SGA8678. JČ وتسلم الأموال المقدمة من أحل، “رقم المشروع” LQ1601 (سيتيك 2020). وقد قدم جزء من هذه البحوث استخدام البنى التحتية “مركز البحوث” الستة، المرافق الأساسية من سيتيك تحت سيتيك-فتح مشروع access عن طريق LM2011020 منحة ممولة من وزارة التربية والتعليم والشباب والرياضة في الجمهورية التشيكية، وتكنولوجيات المعلومات والاتصالات الإسبانية شبكة تدعمها جزئيا مينيكو ميكرونانوفابس.
Materials
| ZnCl2 99,999 % trace metal basis | Sigma-Aldrich | 229997 | used as purchased from manufacturer |
| Ethanol ≥96% | Penta | 71430 | used as purchased from manufacturer |
| Reaction cell | home-made | stainless steel cylindrical reaction cell (7000 mm3, diameter: 30 mm, height: 10 mm) with integrated heaters to reach the temperature of deposition and provided with a PID controller | |
| Ultrasonic liquid atomizer | Johnson Matthey | Operating frequency ∼1,6 MHz | |
| Flowmeter | To have a better control of this step the use of a mass flow controller is recommended. | ||
| Nitrogen | Linde Gas A.S. | ||
| Silicon wafers | MicroChemicals | <100>, p-type, 525 µm thick, cut into pieces (10 mm × 10 mm ) | |
| Glass vial – 100 ml | 29/32 joint, 200 mm lenght | ||
| Vacuum trap | 29/32 joint, 5 mm hose barbs | ||
| Graduated cylinder – 10 ml | |||
| Universal support | |||
| Balance | |||
| Scanning Electron Microscopy (SEM) | Tescan | Mira II LMU | |
| X-ray diffraction (XRD) | Rigaku | Smart Lab 3kW | Cu Kα radiation |
| X-ray Photoelectron spectroscopy (XPS) | Kratos | AXIS Supra | Monochromatic Kα radiatio, 300 W emission power, magnetic lens, and charge compensation |
| Transmission Electron Microscopy (TEM) | Jeol | JEM 2100F | operated at 200kV using Schottky cathode and equiped with EDX |
References
- Kozuka, Y., Tsukazaki, A., Kawasaki, M. Challenges and opportunities of ZnO-related single crystalline heterostructures. Appl Phys Rev. 1 (1), 011303 (2014).
- Wang, Z. L. Splendid One-Dimensional Nanostructures of Zinc Oxide: A New Nanomaterial Family for Nanotechnology. ACS Nano. 2 (10), 1987-1992 (2008).
- Pal, J., Pal, T. Faceted metal and metal oxide nanoparticles: design, fabrication and catalysis. Nanoscale. 7 (34), 14159-14190 (2015).
- Sun, Y., et al. The Applications of Morphology Controlled ZnO in Catalysis. Catalysts. 6 (12), 188 (2016).
- Vallejos, S., Umek, P., Blackman, C. AACVD Control parameters for selective deposition of tungsten oxide nanostrucutres. J Nanosci Nanotechnol. 11, 8214-8220 (2011).
- Vallejos, S., et al. Aerosol assisted chemical vapour deposition of gas sensitive SnO2and Au-functionalised SnO2nanorods via a non-catalysed vapour solid (VS) mechanism. Sci Rep. 6, 28464 (2016).
- Hou, X., Choy, K. L. Processing and Applications of Aerosol-Assisted Chemical Vapor Deposition. Chem Vap Deposition. 12 (10), 583-596 (2006).
- Ling, M., Blackman, C. Growth mechanism of planar or nanorod structured tungsten oxide thin films deposited via aerosol assisted chemical vapour deposition (AACVD). Phys Status Solidi C. 12 (7), 869-877 (2015).
- Vallejos, S., et al. ZnO Rods with Exposed {100} Facets Grown via a Self-Catalyzed Vapor-Solid Mechanism and Their Photocatalytic and Gas Sensing Properties. ACS Appl Mater Inter. 8 (48), 33335-33342 (2016).
- Srikant, V., Clarke, D. R. On the optical band gap of zinc oxide. J Appl Phys. 83 (10), 5447-5451 (1998).
- Gogurla, N., Sinha, A. K., Santra, S., Manna, S., Ray, S. K. Multifunctional Au-ZnO Plasmonic Nanostructures for Enhanced UV Photodetector and Room Temperature NO Sensing Devices. Sci Rep. 4, 6481-6489 (2014).
- Sutka, A., et al. A straightforward and "green" solvothermal synthesis of Al doped zinc oxide plasmonic nanocrystals and piezoresistive elastomer nanocomposite. RSC Advances. 5 (78), 63846-63852 (2015).
- Vallejos, S., et al. Chemoresistive micromachined gas sensors based on functionalized metal oxide nanowires: Performance and reliability. Sens Actuator B. 235, 525-534 (2016).
- Bhachu, D. S., Sankar, G., Parkin, I. P. Aerosol Assisted Chemical Vapor Deposition of Transparent Conductive Zinc Oxide Films. Chem Mater. 24 (24), 4704-4710 (2012).
- Chen, S., Wilson, R. M., Binions, R. Synthesis of highly surface-textured ZnO thin films by aerosol assisted chemical vapour deposition. J Mater Chem. A. 3 (11), 5794-5797 (2015).
- Murillo, G., Rodríguez-Ruiz, I., Esteve, J. Selective Area Growth of High-Quality ZnO Nanosheets Assisted by Patternable AlN Seed Layer for Wafer-Level Integration. Cryst Growth Des. 16 (9), 5059-5066 (2016).
- Sosnowchik, B. D., Lin, L., Englander, O. Localized heating induced chemical vapor deposition for one-dimensional nanostructure synthesis. J Appl Phys. 107 (5), (2010).
- Annanouch, F. E., et al. Localized aerosol-assisted CVD of nanomaterials for the fabrication of monolithic gas sensor microarrays. Sens Actuators, B. 216, 374-383 (2015).
