Vakum Isıl Buharlaşma yoluyla bizmut Nanotel Array Çekirdeksiz Büyüme
Summary
A protocol for seedless and high yield growth of bismuth nanowire arrays through vacuum thermal evaporation technique is presented.
Abstract
Burada çekirdeksiz ve şablon serbest teknik, oda sıcaklığında yüksek vakum termal buharlaşma yoluyla, bizmut nanotelleri büyümesi ölçeklenebilir şekilde ortaya konulmaktadır. Geleneksel metal ince filmler, termal buharlaşma mevduat imalatı için bizmut taze magnetron sıçratma veya termal buharlaştırma yoluyla yatırılır oda sıcaklığında tutulan vanadyum düz ince film üzerinde dikey tek kristal nanotellerinin bir diziye saklıdır. Büyüme alt-tabaka sıcaklığının kontrol edilmesiyle nanotellerinin uzunluğu ve genişliği, geniş bir aralık içinde ayarlanabilir. Bu roman tekniği Sorumlu daha önce bilinmeyen bir nanotel büyüme mekanizması olduğunu vanadyum ince filmin hafif gözeneklilik kökleri. Vanadyum gözenekleri içine sızmış, bizmut etki (~ 1 nm) erime noktasını bastırır aşırı yüzey enerji taşıyan ve sürekli nanoteller oluşturmak için vanadyum matrisi onları ihraç etti. Bu keşif ölçeklenebilir buhar fazı synth fizibilitesini göstermektediryüksek saflıkta ESIS herhangi katalizörler kullanmadan nanomateryaller.
Introduction
Nanoteller bir boyutta yük taşıyıcılarının ve fotonlar gibi diğer quasi ve plazmonları taşınmasını sınırlandırmak. Buna göre, nanoteller genellikle mikro / nano elektronik, fotonik, biyomedikal, çevre ve enerji ile ilgili teknolojiler uygulamalar için onlara neredeyse sonsuz bir potansiyel hibe roman, elektriksel, manyetik, optik ve kimyasal özellikleri, sergiler. 1,2 Geçtiğimiz yirmi yılda, çok sayıda yukarıdan aşağıya ve aşağıdan yukarıya yaklaşımlar bu gelişmelere rağmen laboratuvar ölçeğinde. 3-6 yüksek kaliteli metal veya yarı iletken nanotellerinin geniş bir sentez için geliştirilmiştir, her yaklaşımın başarısı için nihai ürünün belirli özgün özelliklerine dayanır. Örneğin, popüler buhar-sıvı-katı (VLS) yöntemi, tellerin sentezi daha yüksek erime noktasına sahip ve katalitik "tohum" karşılık gelen ötektik alaşım oluşturmak. 7 Sonuç olarak yarı iletken malzeme için daha iyi bir uyumözel ilgi malzeme mevcut tekniklerle kapsamında olmayabilir.
Küçük dolaylı bant üst üste (0 K -38 meV) ve alışılmadık hafif yük taşıyıcılarının bir semimetal gibi, bizmut böyle bir örnektir. Onun toplu göre malzeme kuantum hapsi dar band aralığı yarı iletken içine bizmut nanoteller veya ince filmler dönüşebilir olarak. 8-12 arada, bizmut formların yüzeyine bir yarı-iki boyutlu metal, azaltılmış boyutta kökten farklı davranır onun toplu önemli ölçüde daha fazla metaldir. Bu 13,14 bizmut yüzeyi 2 x 10 4 cm2 V -1 sn-1 bir elektron hareketliliği elde ve nanotel formunda olan, termoelektrik gücüne büyük katkı gösterilmiştir. 15 'i Böyle, elektronik ve özellikle termoelektrik uygulamalarda bizmut nanoteller okuyan önemli çıkarları vardır. 12-16 Ancak, çok düşük 's bizmut nedeniyleoksidasyon için erime noktası (544 K) ve hazır, yüksek kaliteli ve geleneksel buhar fazı veya çözelti fazı teknikleri kullanılarak tek kristal bizmut nanoteller sentez bir sorun olmaya devam etmektedir.
Daha önce, bu tek kristal bizmut nanotellerdir filminde stres serbest atfedilir bizmut ince film, vakum depolanması sırasında düşük verim büyümesi bir kaç grup tarafından rapor edilmiştir. 17-20 En son olarak, bir roman keşfettik Yüksek vakum altında bizmut termal buharlaştırma kullanır ve yüksek bir verimlilik ile, tek kristalli bir bizmut nanotellerinin büyütülebilir oluşmasına yol açan bir teknik. 21, daha önce kıyasla yöntemleri rapor, bu tekniğin en benzersiz özelliği büyütme alt-tabaka taze kaplanmış olmasıdır birikmesini bizmut öncesinde nano-gözenekli vanadyum ince bir tabaka ile. Sonrakinin termal buharlaşma sırasında, bizmut buhar minibüsün nano-gözenekli yapısı sızıyorAdium'u film ve nanodomains orada yoğunlaşır. Vanadyum yoğunlaştırılmış bizmut ile ıslatılmış olmadığından, infiltre alanları sonradan yüzey enerjisini serbest bırakmak için vanadyum matrisinden expulsed edilir. Dikey bizmut nanoteller oluşturan bizmut nanodomains sürekli sınırdışı olduğunu. Bizmut etki çaplarda sadece 1-2 nm olduklarından oda sıcaklığında onları neredeyse erimiş hale önemli erime noktası bastırma, tabidir. Bunun bir sonucu olarak, oda sıcaklığında büyümesi nanotellerin düzenlenen alt-tabaka ile devam eder. Öte yandan, bizmut etki göçü, termal olarak aktif hale gelir, nanotellerinin uzunluğu ve genişliği, sadece büyütme alt-tabakası sıcaklığı kontrol edilerek geniş bir aralık üzerinde ayarlanabilir. Bu ayrıntılı video protokol alanına yeni uygulayıcıları bir yüksek vakum, oksijensiz ortamda ince filmlerin fiziksel buhar biriktirme ile ilgili çeşitli ortak sorunlardan kaçınmak yardımcı olmak için tasarlanmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bizmut nanotellerinin büyümesi en az iki yerleştirme kaynakları, vanadyumun bizmut için tek ve birbirleri ile fiziksel buhar çöktürme sistemine yapılacak olan. Bu kaynaklardan bir vanadyum biriktirilmesi için bir magnetron püskürtme kaynağı olması tavsiye edilir. Yüksek vakum kuru kaydırma pompası tarafından desteklenen bir turbomoleküler pompalar ile sağlanır. Buhar biriktirme sistemi yerinde kalınlığı izleme için ayarlanmış bir kuartz kristal mikro (QCM) ile donatılmış…
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).
