نمو البذور من البزموت أسلاك متناهية الصغر صفيف عبر فراغ التبخر الحراري
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
Representative Results
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
The 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
| Bismuth | Sigma-Aldrich | 556130 | Granular, 99.999% |
| Vanadium Slug | Alfa Aesar | 42829 | 3.175mm (0.125in) dia x 6.35mm (0.25in) 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).
