Summary
Este estudio presenta un procedimiento factible para sintetizar nanoformas dendríticas de oro en sustratos de nitruro de titanio/silicio. El grosor de las nanoformas dendríticas de oro aumenta linealmente dentro de los 15 minutos de una reacción de síntesis.
Abstract
En este estudio, un sistema de pulverización de magnetrón de impulso de alta potencia se utiliza para recubrir una película plana y firme de nitruro de titanio (TiN) en obleas de silicio (si), y una reacción de reemplazo galvánico asistida por fluoruro (FAGRR) se emplea para la deposición rápida y fácil de oro nanoformas dendríticas (au DNFs) en los sustratos de estaño/si. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) y los patrones de espectroscopía de rayos X de energía dispersiva de muestras TiN/si y au DNFs/TiN/si validan que el proceso de síntesis se controla con precisión. Bajo las condiciones de reacción en este estudio, el espesor de las DNF se incrementa linealmente a 5,10 ± 0,20 μm dentro de los 15 minutos de la reacción. Por lo tanto, el procedimiento de síntesis empleado es un enfoque simple y rápido para preparar au DNFs/TiN/si composites.
Introduction
Las nanopartículas de oro tienen propiedades ópticas características y resonancias de plasmón de superficie localizadas (lsprs), según el tamaño y la forma de las nanopartículas1,2,3,4. Además, las nanopartículas de oro pueden mejorar significativamente las reacciones fotocatalíticas plasmónicas5. Las nanoformas dendríticas apiladas con nanopartículas de oro han recibido una considerable atención debido a sus áreas de superficie específicas notables y a la robusta mejora de LSPR6,7,8,9 ,10,11,12,13.
El estaño es un material cerámico extremadamente duro y tiene una notable estabilidad térmica, química y mecánica. Tin tiene propiedades ópticas distintivas y se puede utilizar para aplicaciones plasmónicas con luz visible a cerca del infrarrojo14,15. La investigación ha demostrado que el TiN puede producir mejoras de campo electromagnéticos, similares a las nanoestructuras16de au. Se ha demostrado la deposición de cobre17 o plata18,19,20 sobre sustratos de estaño para aplicaciones. Sin embargo, se han realizado pocos estudios sobre materiales compuestos de au/TiN para aplicaciones. Shiao et al. han demostrado recientemente aplicaciones potenciales de compuestos de au DNFs/TiN para las células fotoelectroquímicas21 y la degradación química22.
Au se puede sintetizar en un sustrato de estaño mediante el uso de un FAGRR23. La condición de deposición de au DNFs en TiN es crucial en el rendimiento de las aplicaciones. Este estudio examina el crecimiento de las DNF en un sustrato con recubrimiento de estaño.
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Protocol
1. preparación de la muestra
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Preparación del sustrato de estaño utilizando un sistema de pulverización de magnetrón de impulso de alta potencia
- Corte una oblea de silicio de tipo n de 4 pulgadas en muestras de 2 cm x 2 cm.
- Lave las muestras con acetona, isopropanol y agua desionizada.
- Séquelo con un spray N2 durante 5 min.
- Coloque las muestras lavadas si en un soporte de muestra y coloque el soporte de la muestra en una cámara de pulverización de magnetrón de impulso de alta potencia (HiPIMS).
- Coloque un objetivo de titanio con un diámetro de 4 pulgadas en un cátodo de pulverización.
- Reduzca la presión de la cámara a menos de 8 x 10-6 Torr mediante una bomba mecánica y una criobomba.
- Utilice HiPIMS para depositar una capa de TI en una oblea de silicio y depositar una capa de estaño en la capa de ti. Consulte la tabla 1 para conocer los parámetros de deposición de las capas de ti y Tin en hipims.
-
Au DNF preparación sobre sustratos de estaño/si
- Colocar 24 ml de una solución de reactivo que comprenda 10 mm de ácido cloroaurico (haucl4) y una solución de grabador de óxido tamponado que comprenda un 11,4% de NH4F y un 2,3% de HF en un recipiente de teflón que mida 5 cm x 5 cm x 5 cm.
- Sumergir los sustratos en la solución de mezcla durante 3 min.
- Retirar la muestra y lavarla con agua desionizada.
- Seque la muestra con el spray N2 y luego incubarla a 120 ° c durante 5 min para obtener muestras de au dNFS/Tin/si.
- Repita la preparación au DNF 10X.
2. examen de la muestra
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El análisis de microscopía electrónica
- Corte la muestra en 0,4 cm x 0,8 cm con un bolígrafo de tungsteno, y límpielo usando el spray N2 .
- Recubra una lámina delgada de PT en la muestra con un recubridora de esputter de iones para 50 s.
- Coloque la muestra preparada en un instrumento de microscopía electrónica de barrido (SEM).
- Obtener imágenes SEM por el microscopio electrónico de barrido y análisis de elementos de conducta21,22.
-
Los análisis de difracción de rayos X
- Coloque la muestra en un instrumento de difracción de rayos X (XRD).
- Obtenga los patrones de XRD21,22.
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Representative Results
La figura 1 muestra las imágenes de las preparaciones de muestras au dNFS/Tin/si. La oblea de silicio era de color blanco plateado (figura 1A). El estaño/si era de color amarillo dorado y tenía una superficie homogénea (figura 1B), que indicaba el recubrimiento uniforme de estaño en la oblea de silicio. Au DNFs/TiN/si era de color marrón amarillento y menos homogéneo en la superficie (figura 1C) debido a la distribución aleatoria de au dNFS.
La figura 2 presenta el plan y las imágenes SEM transversales de au dNFS depositadas en los sustratos Tin/si. La capa TiN tenía una superficie uniforme (figura 2A) y el espesor de la capa Tin era de aproximadamente 300 nm (figura 2B). A 1 min, se observaron pequeños núcleos de au en todas partes (figura 2C), algunos de los cuales se desarrollaron en un núcleo grande similar a un erizo de mar (Figura 2D). Se formó una sola estructura en forma de árbol a 3 min (Figura 2E, f), y se observó que estas ramificaciones se solapan a 5 min (figura 2g, h). A los 10 min, au DNFs formó y cubrió toda la capa de estaño (figura 2i, j). A 15 min, se formaron densas au DNF (figura 2K), y el espesor de las dNFS alcanzó 5 μm (figura 2L).
La figura 3 muestra los resultados del análisis de la espectroscopía de rayos X de energía disperssive (eds) de Tin/si y au dNFS/Tin/si. Los elementos indicados están de acuerdo con el procedimiento de síntesis. Además, los picos evidentes podrían confirmar que el recubrimiento de estaño y la síntesis de au DNFs no estaban contaminados.
La figura 4 ilustra la variación del espesor de las DNF en el sustrato Tin/si con el tiempo FAGRR. El grosor de los au DNF aumentó linealmente con el tiempo de síntesis. La ecuación lineal sobre el grosor y el tiempo de síntesis, que varió de 1 a 15 min, se expresó de la siguiente manera: y = 0,296t + 0,649.
La figura 5 muestra los patrones XRD de las muestras obtenidas por diferentes tiempos de deposición. Se identificó una fuerte orientación (111) de las cumbres au. Los afilados patrones cúbicos de au, au (111), au (200), au (220) y au (311), estuvieron de acuerdo con el JCPDS 04-0784. El aumento de las crestas au con el tiempo de deposición correspondió al crecimiento de au DNFs en el sustrato TiN/si. Por otro lado, los picos de estaño, es decir, estaño (111), estaño (200), estaño (220) y estaño (311), fueron evidentes en la deposición de 1 minuto, de acuerdo con JCPDS 38-1420. Después de 1 min, las señales de TiN desaparecieron gradualmente porque el sustrato de TiN/si fue cubierto gradualmente por au DNFs. Estos resultados XRD correspondían a informes anteriores21,22.
| Sustrato | Alimentación de CC W |
Duración del impulso (μs) | Caudal de ar (SCCM) | Caudal de N2 (SCCM) |
| Capa de ti | 250 | 90 | 20 | - |
| Capa TiN | 300 | 1000 | 30 | 1,5 |
Tabla 1: condiciones para la preparación de ti y Tin. Parámetros HiPIMS para la deposición de capas de ti y TiN en una oblea de silicio.
Figura 1: apariencia de la muestra. Preparación de una muestra de 2 cm x 2 cm de (a) una oblea de silicio, (b) Tin/si, y (c) au dNFS/Tin/si. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: imágenes SEM de muestras. La sobrecarga SEM y las vistas de sección transversal de au DNFs depositadas en los sustratos de estaño/sia (a y b) 0 min; (c y d) 1 min; (e y f) 3 min; (g y h) 5 min; (i y j) 10 min; (k y l) 15 min. por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: análisis elemental. El espectro EDS de (a) Tin/si y (b) au dNFS/Tin/si. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: au DNF espesor. El grosor de au DNFs en el sustrato TiN/si en varios tiempos de síntesis (n = 10) por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: patrones XRD de muestras. Patrones XRD de au DNFs en el sustrato TiN/si en diferentes tiempos de síntesis. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
En este estudio, au DNFs con múltiples tamaños de ramas fueron decorados en la superficie de TiN/si mediante el uso de FAGRR. La deposición de las DNF se podría identificar directamente por un cambio significativo en el color. El espesor de las DNFs en estaño/si aumentó a 5,10 ± 0,20 μm en 15 minutos, y este aumento de espesor se puede expresar utilizando la siguiente ecuación lineal: y = 0,296t + 0,649, donde el tiempo varió de 1 a 15 min.
En FAGRR, la deposición metálica se ve afectada por la composición y el pH de la solución23. La tasa de deposición aumenta con la densidad de defectos superficiales del sustrato. El grosor de la capa TiN disminuye a medida que aumenta el tiempo de reacción de sustitución. Es fácil eliminar las DNFs de los sustratos TiN/si si el espesor de au DNFs es lo suficientemente grueso.
La reacción galvánica de desplazamiento es más favorable para un metal con un mayor potencial de redox23. En este estudio, el proceso de deposición de acabado rápida y Facile propuesto proporciona un enfoque factible para la preparación de compuestos au/Tin/si que se pueden utilizar como fotocatalizadores de luz visible21,22. Utilizando el mismo protocolo, también es posible fabricar unidades au DNFs en otros sustratos, como TiN/SiO2/si, Tin/Glass, Tin/Ito y Tin/FTO, para aplicaciones en el futuro.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por el Ministerio de ciencia y tecnología, Taiwán, bajo los números de contrato más 105-2221-E-492-003-MY2 y la mayoría 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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