Pitloze groei van bismut Nanowire Array via Vacuum Thermische Verdamping

Nanodraden beperken het transport van ladingsdragers en andere quasideeltjes, zoals fotonen en plasmonen in één dimensie. Dienovereenkomstig nanodraden vertonen gewoonlijk nieuwe elektrische, magnetische, optische en chemische eigenschappen, waardoor zij vrijwel onbeperkte mogelijkheden kennen voor toepassingen in micro / nano-elektronica, fotonica, biomedische, milieu- en energie-gerelateerde technologieën. ^1,2 Gedurende de laatste twee decennia verschillende top-down en bottom-up benaderingen zijn ontwikkeld om een breed scala aan hoogwaardige metalen of halfgeleidende nanodraden op laboratoriumschaal. ^3-6 synthese Ondanks deze ontwikkelingen, elke benadering is gebaseerd op een aantal unieke eigenschappen van het uiteindelijke product voor zijn succes. Bijvoorbeeld, de populaire damp-vloeistof-vaste stof (VLS) methode beter geschikt voor halfgeleidermaterialen die hogere smeltpunten en hiervan eutectische legering met overeenkomstige katalytisch "zaden". ⁷ Daardoor de synthese van een nanodraadmateriaal van bijzonder belang kan niet worden gedekt door bestaande technieken.

Als halfmetaal met kleine indirecte band overlap (-38 meV bij 0 K) en ongewoon licht ladingsdragers, bismut is een voorbeeld van. Het materiaal gedraagt ​​zich radicaal verschillend op verminderde afmeting vergeleken met de massa, zoals kwantumopsluiting bismut nanodraden of dunne films zou kunnen uitmonden in een smalle band gap halfgeleidermateriaal. ^8-12 Ondertussen het oppervlak van bismut vormt een quasi-tweedimensionaal metalen die aanzienlijk meer metalen dan de breedte. ^13-14 werd aangetoond dat het oppervlak van bismut bereikt een elektronenmobiliteit van 2 x 10 ⁴ cm ² V ^-1 sec ^-1 en draagt ​​sterk bij aan de thermische energie in de vorm nanodraad. ¹⁵ Al dergelijke, zijn er aanzienlijke belangen op het bestuderen van bismut nanodraden voor elektronische en in het bijzonder thermo-toepassingen. ^12-16 Echter, vanwege de zeer lage bismut'ssmeltpunt (544 K) en de bereidheid voor oxidatie, het blijft een uitdaging om hoge kwaliteit en enkele kristallijne bismut nanodraden met behulp van traditionele damp fase of oplossing fasetechnieken synthese.

Eerder is gerapporteerd door verschillende groepen die monokristallijn bismuth nanodraden groeien bij lage opbrengst tijdens vacuum depositie van bismut dunne film, die wordt toegeschreven aan het vrijkomen van stress ingebouwd in de film. ^17-20 Recentelijk, ontdekten we een nieuw techniek die is gebaseerd op de thermische verdamping bismut onder hoog vacuüm en leidt tot de schaalbare vorming van monokristallijn bismuth nanodraden in hoge opbrengst. ²¹ Vergeleken met eerder gerapporteerde methoden, de meest unieke eigenschap van deze techniek is dat het groeisubstraat is vers gecoat met een dun laagje nanoporeuze vanadium vóór afzetting bismut. Tijdens thermische verdamping van laatstgenoemde, bismutdamp infiltreert in de nanoporeuze structuur van de vanAdium film en condenseert daar nanodomains. Omdat vanadium niet wordt bevochtigd door gecondenseerde bismut, worden de domeinen geïnfiltreerd vervolgens uitgezet van vanadium matrix om hun oppervlakte energie vrij te geven. Het is de continue verwijdering van het bismut nanodomains de verticale bismut nanodraden vormt. Aangezien de bismut domeinen slechts 1-2 nm in diameter, zijn zij onderhevig aan aanzienlijke smeltpunt onderdrukken, waardoor ze bijna gesmolten bij kamertemperatuur maakt. Daardoor groei nanodraden overgaat tot het substraat gehouden op kamertemperatuur. Anderzijds, als de migratie van het bismut domeinen thermisch geactiveerd, de lengte en breedte van de nanodraden kan over een breed bereik afgestemd door simpelweg de temperatuur van het groeisubstraat. Deze gedetailleerde video protocol is bedoeld om nieuwe mensen in het veld te vermijden verschillende gemeenschappelijke problemen in verband met fysieke damp depositie van dunne films in een hoog vacuüm, zuurstofvrije omgeving.