真空熱蒸発によりビスマスナノワイヤーアレイの成長シードレス
Summary
A protocol for seedless and high yield growth of bismuth nanowire arrays through vacuum thermal evaporation technique is presented.
Abstract
ここで無種子およびテンプレート・フリー技術は室温で高真空中で熱蒸着を通じて、ビスマスナノワイヤを成長スケーラブルすることが実証されています。従来の金属薄膜、熱蒸着堆積物の製造のためにビスマスたてマグネトロンスパッタリングまたは熱蒸着によって堆積させ、RTで開催されたバナジウムの平らな薄膜、オーバー垂直単結晶ナノワイヤの配列に予約。成長基板の温度を制御することにより、ナノワイヤの長さと幅が広い範囲にわたって調整することができます。この新規な技術のための責任は、バナジウム薄膜の穏やかな空孔率にルーツ以前に知られていないナノワイヤ成長メカニズムです。バナジウム細孔に浸潤、ビスマスドメイン（〜1 nm）は、それらの融点を抑制し、連続してナノワイヤを形成するために、バナジウム行列からそれらを排出過度の表面エネルギーを有します。この発見は、スケーラブルな気相シンセの実現可能性を実証します任意の触媒を使用することなく、高純度のナノ材料のESIS。
Introduction
ナノワイヤは、1つの次元での光子とプラズモンとして、電荷キャリアと他の準粒子の輸送を閉じ込めます。したがって、ナノワイヤは、通常のマイクロ/ナノエレクトロニクス、フォトニクス、生物医学、環境・エネルギー関連技術のアプリケーションのためにそれらをほぼ無限の可能性を付与小説、電気的、磁気的、光学的および化学的特性を示す。1,2を過去20年の間に、多数トップダウンおよびボトムアップのアプローチは、実験室規模で高品質の金属または半導体ナノワイヤの広い範囲を合成するために開発された。3-6これらの開発にもかかわらず、それぞれのアプローチは、成功のための最終製品の特定のユニークな特性に依存しています。例えば、人気のある気相-液相-固相（VLS）メソッドは、より高い融点を有し、対応する触媒の「シード」と共晶合金を形成する半導体材料のためのより良い適合である。7この結果、ナノワイヤーの合成特に関心のある材料は、既存の技術でカバーされない場合があります。
小さな間接バンドの重なり（0 Kにおける-38 meVで）と異常光電荷キャリアを持つ半金属としては、ビスマスはその一例です。そのバルクと比較した場合、量子閉じ込めが狭いバンドギャップ半導体にビスマスナノワイヤまたは薄膜を回すことができるような材料は、減少した寸法で、根本的に異なる動作をします。一方8-12、ビスマス形の表面準二次元金属それは、その大部分よりもはるかに多くの金属である。13,14これは、ビスマスの表面は、2×10 4 cm 2のV -1 秒 -1の電子移動度を達成し、ナノワイヤの形で、その熱電電力に強く寄与していることが示された。15のようにこのような、電子特に熱電アプリケーションにおけるビスマスナノワイヤを研究に大きな関心があります。12-16しかし、ビスマスの非常に低いのために融点（544 K）及び酸化のための準備は、高品質で、伝統的な気相または液相技術を用いて単結晶ビスマスのナノワイヤを合成するための課題です。
これまでは、単結晶ビスマスナノワイヤがフィルムに組み込まれたストレスの解放に起因しているビスマス薄膜の真空蒸着時に低い収率で成長することをいくつかのグループにより報告されている。17-20は最近、我々は小説を発見しました高真空下でビスマスの熱蒸着に基づいており、高い収率で単結晶ビスマスナノワイヤーのスケーラブルな形成につながる技術。21以前に報告された方法と比較すると、この技術の最もユニークな特徴は、成長基板が新鮮に被覆されていることですナノ多孔性バナジウムの薄い層を有するビスマス堆積前。後者の熱蒸着の間に、ビスマス蒸気はバンのナノ多孔性構造に浸透Adiumのフィルムとナノドメインとしてそこに凝縮。バナジウムは、凝縮ビスマスで濡れていないので、浸潤領域は、その後、その表面エネルギーを解放するためにバナジウムマトリックスからexpulsedされます。これは、垂直ビスマスナノワイヤーを形成ビスマスナノドメインの連続追放です。ビスマスドメインは直径のわずか1〜2 nmであるので、RTでそれらをほぼ溶融させる重要な融点抑制、の対象となっています。その結果、ナノワイヤの成長は室温で保持された基板に進みます。一方、ビスマスドメインの移行が、熱的に活性化されると、ナノワイヤの長さと幅は、単純に、成長基板の温度を制御することによって、広い範囲にわたって調整することができます。この詳細ビデオプロトコルは、フィールドに新しい実践者が、高真空、無酸素環境における薄膜の物理蒸着法に関連する様々な一般的な問題を回避するためのものです。
Protocol
Representative Results
Discussion
ビスマスのナノワイヤの成長は、少なくとも二つの蒸着源、ビスマス及びバナジウムのために別のものとの物理的蒸着装置で実施されます。これは、情報源の一つは、バナジウムの堆積のために、マグネトロンスパッタリング源であることをお勧めします。高真空は、ドライスクロールポンプによって裏打ちされたターボ分子ポンプによって達成されます。蒸着システムは、 その場での</…
Divulgaciones
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 |
Referencias
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