צמיחה ללא גרעינים של מערך ביסמוט Nanowire באמצעות אידוי תרמי אבק
Summary
A protocol for seedless and high yield growth of bismuth nanowire arrays through vacuum thermal evaporation technique is presented.
Abstract
הנה טכניקה ללא גרעינים וללא תבנית מוכחת לscalably לגדול ננו-חוטים ביסמוט, באמצעות אידוי תרמי בואקום גבוה ב RT. מקובל שמורות עבור הייצור של סרטי מתכת דקים, פיקדונות אידוי תרמיים ביסמוט למערך של ננו-חוטים גבישים יחידים האנכיים על סרט שטוח דק של ונדיום שנערך ב RT, אשר מופקד על ידי טרי המקרטעת magnetron או אידוי תרמית. על ידי שליטה על הטמפרטורה של מצע הגידול לאורכה ורוחבה של ננו-חוטים יכולים להיות מכוון על פני טווח רחב. אחראי על טכניקה חדשנית זו היא מנגנון צמיחת nanowire ידוע קודם לכן כי שורשים בנקבוביים קלה של הסרט הדק ונדיום. הסתנן לתוך הנקבוביות ונדיום, תחומים ביסמוט (~ ננומטר 1) נושאים אנרגיית משטח מוגזמת שמדכאת נקודת ההתכה שלהם ורציפות מגרש מתוך מטריצת נדיום כדי ליצור ננו-חוטים. תגלית זו מוכיחה את ההיתכנות של סינטיסייזר שלב אדי מדרגיesis של טוהר גבוה ננו ללא שימוש בכל זרזים.
Introduction
Nanowires להגביל את התחבורה של נושאי מטען וקוואזי-חלקיקים אחרים, כגון פוטונים וplasmons בממד אחד. בהתאם לכך, ננו-חוטים בדרך כלל תערוכה תכונות חשמליות, מגנטיות, אופטיות וכימיות רומן, שתענקנה להם פוטנציאל כמעט אינסופי עבור יישומים בתחום אלקטרוניקה, פוטוניקה, טכנולוגיות ביו-רפואיות, הקשורים לאיכות סביבה ואנרגיה מיקרו / ננו. 1,2 במהלך שני העשורים האחרונים, רב מלמעלה למטה ומלמטה למעלה גישות פותחו לסינתזת מגוון רחב של ננו-חוטים מתכת או מוליכים למחצה באיכות גבוהה בקנה מידת מעבדה. 3-6 למרות התפתחויות אלו, כל גישה מסתמכת על מאפיינים ייחודיים מסוימים של המוצר הסופי להצלחתה. לדוגמא, השיטה הפופולרית אדים-נוזל-המוצקה (VLS) היא בכושר טוב יותר עבור החומרים המוליכים למחצה שיש לי נקודות היתוך גבוהות יותר וליצור סגסוגת eutectic עם מקביל "זרעים" קטליטי. 7 כתוצאה מכך, הסינתזה של nanowireחומר של עניין מיוחד לא יכול להיות מכוסה על ידי טכניקות קיימות.
כsemimetal עם חפיפה קטנה עקיפה להקה (-38 מופתעים נוכח ב 0 K) ונושאי מטען אור בצורה יוצאת דופן, ביסמוט הוא דוגמא אחת כזו. החומר מתנהג שונה באופן קיצוני בממד מופחת בהשוואה לכמות הגדולה שלה, כמו כליאה קוונטים יכולה להפוך nanowires ביסמוט או דקים סרטים למוליכים למחצה פער פס צרים. 8-12 בינתיים, את פני השטח של צורות ביסמוט מתכת מעין-דו-ממדית כי הוא יותר באופן משמעותי מאשר בתפזורת מתכתית שלה. 13,14 זה היה הראה כי פני השטח של ביסמוט משיג ניידות אלקטרונים של 2 × 10 סנטימטר 4 2 V -1 שניות -1 ותורם מאוד לחימום החשמלי שלה בצורת nanowire. 15 כ כאמור, יש אינטרסים משמעותיים בלימוד nanowires ביסמוט לאלקטרוני ויישומים ובתרמית בפרט. 12-16 עם זאת, בשל יסמוט של נמוך מאודנקודת התכה (544 K) ונכונות לחמצון, זה עדיין מהווה אתגר לסינתזה באיכות גבוהה וננו-חוטים ביסמוט גבישים יחידים באמצעות טכניקות שלב שלב אדים או פתרון מסורתיים.
בעבר, זה כבר דווח על ידי כמה קבוצות שnanowires יסמוט גבישים יחידים לגדול בתשואה נמוכה בתצהיר ואקום של סרט דק ביסמוט, אשר מיוחס לשחרורו של מתח המובנה בסרט. 17-20 לאחרונה, גילינו רומן טכניקה שמבוססת על אידוי התרמית של ביסמוט תחת ואקום גבוה ומובילה להיווצרות של ננו-חוטים להרחבה ביסמוט גבישים יחידים בתשואה גבוהה. 21 השוואה בעבר דיווחה שיטות, התכונה הייחודית ביותר של טכניקה זו היא שמצע הגידול הוא טרי מצופה בשכבה דקה של ונדיום nanoporous לפני יסמוט בתצהיר. במהלך האידוי התרמי של האחרון, אדים ביסמוט חודרים לתוך מבנה nanoporous של ואןסרט וAdium מתעבה שם nanodomains. מאז ונדיום לא רטוב על ידי יסמוט תמצית, תחומים שחדרם הוגלו, לאחר מכן מהמטריצה ונדיום לשחרר אנרגיית פני השטח שלהם. זה הגירוש המתמשך של nanodomains יסמוט שיוצר ננו-חוטים ביסמוט האנכיים. מאז תחומים יסמוט הם רק 1-2 ננומטר בקטרים, הם כפופים לדיכוי נקודת התכה משמעותי, שהופך אותם כמעט מותך על RT. כתוצאה מכך, צמיחת nanowires ממשיכה עם המצע שנערך בRT. מצד השני, כמו ההגירה של תחומים ביסמוט מופעלת תרמית, לאורכה ורוחבה של ננו-חוטים יכולים להיות מכוון על פני טווח רחב פשוט על ידי שליטה על הטמפרטורה של מצע הגידול. פרוטוקול וידאו מפורט זה נועד לעזור למתרגלים חדשים בתחום להימנע מבעיות נפוצות שונות הקשורים בתצהיר אד פיזי של שכבות דקות בואקום גבוה, סביבה נטולת חמצן.
Protocol
Representative Results
Discussion
הצמיחה של ננו-חוטים ביסמוט היא להתנהל במערכת שיקוע פיזית עם לפחות שני מקורות בתצהיר, אחד ביסמוט ואחר ולנדיום. מומלץ שאחד המקורות הוא מקור המקרטעת magnetron, לתצהירו של ונדיום. ואקום גבוה מושגת על ידי משאבות turbomolecular מגובות על ידי גלילה משאבה יבשה. מערכת שיקוע מצויד בmicrobalance…
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).
