Crecimiento Seedless de bismuto nanocables matriz a través del vacío de evaporación térmica
Summary
A protocol for seedless and high yield growth of bismuth nanowire arrays through vacuum thermal evaporation technique is presented.
Abstract
Aquí una técnica sin semilla y libre de la plantilla se demuestra a escalable crecer nanocables de bismuto, a través de la evaporación térmica en alto vacío a temperatura ambiente. Convencionalmente reservado para la fabricación de películas delgadas de metal, depósitos de evaporación térmica de bismuto en una matriz de nanocables sola cristalinas verticales sobre una película delgada plana de vanadio celebrada en RT, que está recién depositado por pulverización catódica con magnetrón o evaporación térmica. Mediante el control de la temperatura del sustrato de crecimiento de la longitud y anchura de los nanocables pueden ajustarse en un amplio intervalo. El responsable de esta nueva técnica es un mecanismo de crecimiento de nanocables previamente desconocido que las raíces de la porosidad leve de la película delgada de vanadio. Infiltrado en los poros de vanadio, los dominios de bismuto (~ 1 nm) llevan energía superficial excesiva que suprime su punto de fusión y los expulsa continuamente fuera de la matriz de vanadio para formar nanocables. Este descubrimiento demuestra la viabilidad de la fase vapor synth escalableESIS de alta pureza nanomateriales sin usar catalizadores.
Introduction
Nanocables limitan el transporte de portadores de carga y otros cuasi-partículas, tales como los fotones y los plasmones en una dimensión. En consecuencia, los nanocables generalmente exhiben novedosas propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas y químicas, que les otorgan potencial casi infinito para aplicaciones en electrónica, fotónica, tecnologías biomédicas, ambientales y relacionados con la energía de micro / nano 1,2. Durante las dos últimas décadas, numerosos de arriba hacia abajo y los enfoques de abajo hacia arriba se han desarrollado para la síntesis de una amplia gama de metales o semiconductores nanocables de alta calidad a escala de laboratorio. 3.6 A pesar de estos avances, cada enfoque se basa en ciertas propiedades únicas del producto final para su éxito. Por ejemplo, el método de vapor-líquido-sólido populares (VLS) es mejor ajuste para los materiales semiconductores que tienen puntos de fusión más altos y forman aleación eutéctica con el correspondiente "semillas" catalíticos. 7 Como resultado, la síntesis de un nanocablemateriales de especial interés no puede ser cubierto por las técnicas existentes.
Como semimetal con pequeño solapamiento indirecta banda (-38 meV en 0 K) y portadores de carga inusualmente luz, bismuto es un ejemplo de ello. El material se comporta radicalmente diferente en dimensión reducida en comparación con su volumen, como confinamiento cuántico podría convertir nanocables de bismuto o películas delgadas en un estrecho intervalo de banda semiconductor 8-12. En el ínterin, la superficie de las formas de bismuto un metal cuasi bidimensional que es significativamente más metálico que su granel. 13,14 Se demostró que la superficie de bismuto logra una movilidad de los electrones de 2 × 10 4 cm 2 V -1 s -1 y contribuye fuertemente a su energía termoeléctrica en forma de nanocables. 15 Como tal, hay intereses importantes en el estudio de nanocables de bismuto para electrónica y, en particular, aplicaciones termoeléctricas. 12-16 Sin embargo, debido al bismuto de muy bajopunto de fusión (544 K) y la preparación para la oxidación, sigue siendo un desafío para la síntesis de alta calidad y nanocables individuales de bismuto cristalino utilizando técnicas de fase en fase de vapor o soluciones tradicionales.
Anteriormente, se ha informado por algunos grupos que solo cristalinas nanocables bismuto crecen a bajo rendimiento durante la deposición al vacío de película fina de bismuto, que se atribuye a la liberación de la tensión integrado en la película. 17-20 Recientemente, descubrimos una novela técnica que se basa en la evaporación térmica de bismuto a alto vacío y conduce a la formación escalable de nanocables individuales de bismuto cristalino con un alto rendimiento. 21 En comparación con informes anteriores métodos, la característica más singular de esta técnica es que el sustrato de crecimiento es recién recubierto con una capa delgada de nanoporoso vanadio antes de la deposición de bismuto. Durante la evaporación térmica de este último, el vapor de bismuto se infiltra en la estructura nanoporosa de la furgonetapelícula Adium y se condensa allí como nanodominios. Desde vanadio no se moja por bismuto condensada, los dominios infiltrados son posteriormente expulsados de la matriz de vanadio para liberar su energía superficial. Es la expulsión continua de los nanodominios de bismuto que forma los nanocables de bismuto verticales. Dado que los dominios de bismuto son sólo el 1-2 nm de diámetro, están sujetos a la supresión punto de fusión significativa, lo que los hace casi fundido a RT. Como resultado, el crecimiento de nanocables procede con el sustrato celebrada en RT. Por otra parte, como la migración de los dominios de bismuto se activa térmicamente, la longitud y anchura de los nanocables pueden ajustarse en un amplio intervalo simplemente controlando la temperatura del sustrato de crecimiento. Este protocolo vídeo detallado está destinado a ayudar a los nuevos profesionales en el campo de evitar diversos problemas comunes asociados con la deposición física de vapor de películas delgadas en un ambiente libre de oxígeno de alto vacío.
Protocol
Representative Results
Discussion
El crecimiento de nanocables de bismuto se lleve a cabo en un sistema de deposición física de vapor con al menos dos fuentes de deposición, uno para el bismuto y el otro para el vanadio. Se recomienda que una de las fuentes es una fuente de pulverización catódica magnetrón, para la deposición de vanadio. Alto vacío se consigue mediante una bomba turbomoleculares respaldados por una bomba de desplazamiento seco. El sistema de deposición de vapor está equipado con una microbalanza de cristal de cuarzo calibrado …
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 |
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