Summary
Cette étude présente une procédure réalisable pour synthétiser les nanoforêts dendritiques dorées sur des substrats de nitrure de titane/silicium. L’épaisseur des nanoforêts dendritiques d’or augmente linéairement dans les 15 min d’une réaction de synthèse.
Abstract
Dans cette étude, un système de pulvérisation de magnétron à impulsion de haute puissance est utilisé pour enduire un film de nitrure de titane (TiN) plat et ferme sur des wafers de silicium (si), et une réaction de remplacement galvanique assistée par le fluorure (FAGRR) est employée pour le dépôt rapide et facile de l’or les nanoforêts dendritiques (au DNFs) sur les substrats TiN/si. Les images de microscopie électronique à balayage (SEM) et les schémas de spectroscopie à rayons X dispersifs en énergie des échantillons TiN/si et au DNFs/TiN/si confirment que le processus de synthèse est contrôlé avec précision. Dans les conditions de réaction de cette étude, l’épaisseur de l’UA DNFs augmente linéairement à 5,10 ± 0,20 μM dans les 15 min de la réaction. Par conséquent, la procédure de synthèse employée est une approche simple et rapide pour la préparation des composites au DNFs/TiN/si.
Introduction
Les nanoparticules d’or ont des propriétés optiques caractéristiques et des résonances de Plasmon de surface localisées (lsprs), selon la taille et la forme des nanoparticules1,2,3,4. En outre, les nanoparticules d’or peuvent améliorer significativement les réactions photocatalytiques plasmoniques5. Les nanoforêts dendritiques empilées à l’aide de nanoparticules d’or ont reçu une attention considérable en raison de leurs surfaces spécifiques remarquables et de l’amélioration robuste des LSPr6,7,8,9 ,10,11,12,13.
L’étain est un matériau céramique extrêmement dur et possède une stabilité thermique, chimique et mécanique remarquable. L’étain a des propriétés optiques distinctives et peut être utilisé pour des applications plasmiques avec la lumière visible-à-proche-infrarouge14,15. La recherche a démontré que l’étain peut produire des améliorations de champ électromagnétique, semblables aux nanostructures de l’UA16. La déposition de cuivre17 ou d’argent18,19,20 sur des substrats d’étain pour des applications a été démontrée. Cependant, peu d’études ont été réalisées sur des matériaux composites au/TiN pour les applications. Shiao et coll. ont récemment démontré les applications potentielles des composites au DNFs/étain pour les cellules photoélectrochimiques21 et la dégradation chimique22.
Au peut être synthétisé sur un substrat d’étain en utilisant un FAGRR23. L’état des dépôts des DNFs au sein de l’étain est crucial dans la performance des applications. Cette étude examine la croissance des au DNFs sur un substrat de si recouvert d’étain.
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Protocol
1. préparation de l’échantillon
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Préparation du substrat en étain à l’aide d’un système de pulvérisation de magnétron à impulsion de haute puissance
- Coupez une plaquette de silicium de type n de 4 pouces dans des échantillons de 2 cm x 2 cm.
- Lavez les échantillons avec de l’acétone, de l’isopropanol et de l’eau désionisée.
- Les sécher à l’aide d’un spray N2 pendant 5 min.
- Placer les échantillons de si lavés dans un porte-échantillon et placer le porte-échantillon dans une chambre de pulvérisation de magnétron à impulsion de haute puissance (HiPIMS).
- Placez une cible en titane d’un diamètre de 4 pouces sur une cathode de pulvérisation.
- Réduisez la pression de la chambre à moins de 8 x 10-6 Torr à l’aide d’une pompe mécanique et d’une cryopompe.
- Utilisez HiPIMS pour déposer une couche de TI sur une plaquette de silicium et déposer une couche d’étain sur la couche TI. Voir tableau 1 pour les paramètres de déposition des couches TI et Tin dans les HIPIMS.
-
Au DNF préparation sur substrats étain/si
- Placer 24 mL d’une solution réactant comprenant 10 mM d’acide chloroaurique (HAuCl4) et une solution d’oxyde tamponné contenant 11,4% NH4F et 2,3% HF dans un récipient en téflon mesurant 5 cm x 5 cm x 5 cm.
- Tremper les substrats dans la solution de mélange pendant 3 min.
- Retirez l’échantillon et lavez-le à l’aide d’eau désionisée.
- Sécher l’échantillon à l’aide du spray N2 et l’incuber à 120 ° c pendant 5 min pour obtenir des échantillons au dNFS/Tin/si.
- Répéter la préparation au DNF 10x.
examen 2. Sample
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Analyses de microscopie électronique à balayage
- Coupez l’échantillon en 0,4 cm x 0,8 cm avec un stylo en tungstène et nettoyez-le à l’aide du spray N2 .
- Enduire un mince film de PT sur l’échantillon par un Coater d’ion pulvérisation pour 50 s.
- Placer l’échantillon préparé dans un instrument de microscopie électronique à balayage (SEM).
- Obtenir des images SEM par le microscope électronique à balayage et effectuer l’analyse des éléments21,22.
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Analyses de diffraction des rayons X
- Placez l’échantillon dans un instrument de diffraction des rayons X (XRD).
- Obtenir les modèles XRD21,22.
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Representative Results
La figure 1 illustre les images des préparations d’échantillons au dNFS/Tin/si. La plaquette de silicium était blanc argenté (figure 1a). Le TiN/si était jaune doré et avait une surface homogène (figure 1b), ce qui indiquait le revêtement uniforme d’étain sur la plaquette de silicium. Au DNFs/TiN/si était brun jaunâtre et moins homogène sur la surface (figure 1c) en raison de la distribution aléatoire des au dNFS.
La figure 2 présente le plan et les images SEM transversales des dNFS de l’UA déposés sur les substrats Tin/si. La couche d’étain avait une surface uniforme (figure 2a) et l’épaisseur de la couche d’étain était d’environ 300 nm (figure 2b). À 1 min, les petits noyaux de l’UA ont été observés partout (Figure 2c), dont certains se sont développés en un grand noyau semblable à un oursin (figure 2D). Une structure unique en forme d’arbre a été formée à 3 min (Figure 2e, f), et ces ramifications ont été observées pour se chevaucher à 5 min (figure 2g, h). À 10 min, les au DNFs ont formé et recouvert toute la couche d’étain (figure 2i, j). À 15 min, des DNFs denses ont été formés (figure 2k), et l’épaisseur des dNFS a atteint 5 μm (figure 2L).
La figure 3 montre les résultats de l’analyse de la spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie (eds) de Tin/si et au dNFS/Tin/si. Les éléments indiqués sont convenus avec la procédure de synthèse. En outre, les pics évidents pourraient valider que le revêtement de l’étain et la synthèse des au DNFs n’étaient pas pollués.
La figure 4 illustre la variation de l’épaisseur de l’UA dNFS sur le substrat Tin/si avec le temps FAGRR. L’épaisseur du DNFs de l’UA a augmenté linéairement avec le temps de synthèse. L’équation linéaire sur l’épaisseur et le temps de synthèse, qui allaient de 1 à 15 min, a été exprimée comme suit: y = 0,296t + 0,649.
La figure 5 montre les patrons XRD d’échantillons obtenus par différents temps de déposition. Une forte orientation (111) des sommets de l’UA a été identifiée. Les modèles au (111), au (200), au (220) et au (311), au (310), sont d’accord avec JCPDS 04-0784. L’augmentation des pics de l’UA avec le temps de déposition correspondait à la croissance de la DNFs sur le substrat TiN/si. D’autre part, les pics d’étain, à savoir l’étain (111), l’étain (200), l’étain (220) et l’étain (311), étaient évidents à une déposition de 1 min, en accord avec le JCPDS 38-1420. Après 1 min, les signaux de TiN ont graduellement disparu parce que le substrat TiN/si a été progressivement couvert par le DNFs. Ces résultats de la XRD correspondaient aux précédents rapports21,22.
| Substrat | Alimentation CC W |
Durée d’impulsion (μs) | Débit d’AR (SCCM) | Débit de N2 (SCCM) |
| Couche de TI | 250 | 90 | 20 | - |
| Couche d’étain | 300 | 1000 | 30 | 1,5 |
Tableau 1: conditions de préparation de TI et d’étain. Paramètres HiPIMS pour le dépôt de couches de TI et d’étain sur une plaquette de silicium.
Figure 1: apparence de l’échantillon. Préparation d’un échantillon de 2 cm x 2 cm de (a) une plaquette de silicium, (b) Tin/si, et (c) au dNFS/Tin/si. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2: images SEM d’échantillons. Les vues aériennes et transversales du SEM de la DNFs déposées sur les substrats étain/si à (a et b) 0 min; (c et d) 1 min; (e et f) 3 min; (g et h) 5 min; (i et j) 10 min; (k et l) 15 min. s’il vous plaît cliquez ici pour afficher une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3: analyse élémentaire. Spectre EDS de (a) Tin/si et (b) au dNFS/Tin/si. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4: épaisseur au DNF. L’épaisseur des au DNFs sur le substrat TiN/si à divers temps de synthèse (n = 10) s’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 5: modèles XRD d’échantillons. Patrons de XRD des au DNFs sur le substrat d’étain/si à différents temps de synthèse. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Discussion
Dans cette étude, au DNFs avec plusieurs tailles de branches ont été décorées à la surface de TiN/si en utilisant FAGRR. Le dépôt des DNFs de l’UA pourrait être identifié directement par un changement significatif de couleur. L’épaisseur de l’UA DNFs sur l’étain/si a augmenté à 5,10 ± 0,20 μM dans les 15 min, et cette augmentation de l’épaisseur peut être exprimée en utilisant l’équation linéaire suivante: y = 0,296t + 0,649, où le temps variait de 1 à 15 min.
Dans le FAGRR, le dépôt métallique est affecté par la composition et le pH de la solution23. Le taux de déposition augmente avec la densité des défauts de surface du substrat. L’épaisseur de la couche d’étain diminue à mesure que le temps de réaction de remplacement augmente. Il est facile d’enlever au DNFs des substrats d’étain/si l’épaisseur de au DNFs est assez épaisse.
La réaction de déplacement galvanique est plus favorable pour un métal avec un potentiel redox plus élevé23. Dans cette étude, le processus proposé de dépôt rapide et facile d’électrolytes fournit une approche réalisable pour la préparation des composites au/tin/si qui peuvent être utilisés comme photocatalystes à lumière visible21,22. En utilisant le même protocole, il est également possible de fabriquer au DNFs sur d’autres substrats, tels que TiN/SiO2/si, Tin/Glass, Tin/Ito, et Tin/FTO, pour les applications à l’avenir.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été appuyé par le ministère de la science et de la technologie, Taiwan, sous les numéros de contrat les plus 105-2221-E-492-003-MY2 et la plupart 107-2622-E-239-002-CC3.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acetone | Dinhaw Enterprise Co. Ltd.,Taipei, Taiwan | ||
| Isopropanol | Echo Chemical Co. Ltd., Miaoli, Taiwan | TG-078-000000-75NL | |
| Buffered Oxide Etch | Uni-onward Corp., Hsinchu, Taiwan | UR-BOE-1EA | |
| Chloroauric Acid | Alfa Aesar., Heysham, United Kingdom | 36400.03 | |
| N-Type Silicon Wafer | Summit-Tech Company, Hsinchu, Taiwan | ||
| High-Power Impulse Magnetron Sputtering System (HiPIMS) | Melec GmbH, Germany | SPIK2000A | |
| Scanning Electron Microscope (SEM) | JEOL, Japan | JSM-7800F | |
| Ion Sputter Coater | Hitachi, Japan | E-1030 | |
| X-Ray Diffractometer (XRD) | PANalytical, The Netherlands | X'Pert PRO MRD |
References
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