진공 열 증발을 통해 비스무트 나노 와이어 어레이의 씨앗 성장
Summary
A protocol for seedless and high yield growth of bismuth nanowire arrays through vacuum thermal evaporation technique is presented.
Abstract
여기 씨앗 및 템플릿이없는 기술은 RT에서 고진공에서 열적 증발, 비스무트 나노 와이어를 성장하기 위해 스케일 러블 설명된다. 종래에 금속 박막, 열 증발 증착물의 제조에 비스무트 갓 마그네트론 스퍼터링 또는 열 증발에 의해 증착된다 RT 유지 바나듐 평면 박막 위에 수직 단결정 나노 와이어의 배열로 보유. 성장 기판의 온도를 제어함으로써, 나노 와이어의 길이 및 폭이 넓은 범위를 통해 조정될 수있다. 이 새로운 기술에 대한 책임 이전에 알려지지 않은 나노 와이어 성장 메커니즘입니다 바나듐 박막의 가벼운 다공성의 뿌리. 바나듐 기공에 함침, 비스무트 도메인 (~ 1 nm의)은 그 융점이 억제 과도한 표면 에너지를 가지고 연속적으로 나노 와이어를 형성하기 위해 바나듐 행렬에서 그들을 배출한다. 이 발견은 확장 기상 신디의 타당성을 보여고순도 ESIS는 촉매를 사용하지 않고 나노 물질.
Introduction
나노 와이어는 하나의 차원에서 전하 캐리어 및 광자와 같은 다른 준 입자 및 플라즈몬의 전송을 제한. 따라서, 나노 와이어는 일반적으로 마이크로 / 나노 전자 공학, 포토닉스, 생물 의학, 환경 및 에너지 관련 기술의 응용 프로그램에 대해 그들에게 거의 무한한 가능성을 부여 소설, 전기, 자기 적, 광학적, 화학적 특성을 나타낸다. 1, 2를 지난 20 년 동안, 수많은 하향식 및 상향식 접근법 이러한 발전에도 불구하고 실험실 규모. 3-6 고품질의 금속 또는 반도체 나노 와이어의 광범위한 합성 개발되어, 각각의 접근법의 성공을위한 최종 제품의 특정한 고유 특성에 의존한다. 예를 들어, 인기있는 증기 – 액체 – 고체 (VLS) 방법은 나노 와이어의 합성에보다 높은 융점을 가지며, 촉매 "종자"대응 공융 합금을 형성한다. (7)을 따라서 반도체 물질에 더 적합특히 관심이 물질은 기존의 기술이 적용되지 않을 수 있습니다.
작은 간접 밴드 중첩 (0 K에서 -38 meV 인)와 유난히 빛을 전하 캐리어와 반 금속으로, 비스무트는 하나의 예이다. 벌크와 비교할 때 재료는 양자 구속이 좁은 밴드 갭 반도체에 비스무트 나노 와이어 또는 박막을 켤 수있다. 8-12 한편, 비스무트 형태의 표면을 준 이차원 금속 감소 차원에서 근본적으로 다른 동작 즉, 그것의 부피보다 훨씬 더 많은 금속이다. 13,14 그것은 비스무트의 표면이 2 × 10 4cm 2 V -1 초 -1의 전자 이동도를 실현하고 나노 와이어 형태의 화력에 강하게 기여하는 것으로 나타났다. 15을 이러한 전자 및 특정 열전 애플리케이션에서 비스무트 나노 와이어를 공부에 상당한 관심이있다. 12 ~ 16 그러나, 매우 낮은의 비스무트에 의한산화 융점 (544 K) 및 준비는, 높은 품질 및 기존의 증기 상 또는 용액 상 기술을 사용하여 단결정 비스무스 나노 와이어를 합성 할 과제로 남아.
이전에는 단일 결정 비스무트 나노 와이어 필름에 내장 된 스트레스의 출시에 기인한다 비스무트 박막의 진공 증착 동안 낮은 수율로 성장하는 몇 가지 그룹에 의해보고되었다. 17 ~ 20은 가장 최근에, 우리는 새로운 발견 고 진공하에 비스무트 열 증발에 기초하여 높은 수율로 단결정 비스무스 나노 와이어의 확장 형성을 유도되는 방법. (21) 이전에 비교하여이 방법을보고,이 기술의 가장 독특한 특징은 성장 기판은 갓 코팅 있다는 증착 이전에 비스무트 바나듐 나노 다공성 박막과. 후자의 열 증발하는 동안, 비스무트 증기는 밴의 나노 다공성 구조로 침투에이디 엄 필름과는 nanodomains 거기 응축. 바나듐 축합 비스무트 의해 습윤되지 않기 때문에, 함침 도메인은 계속해서 그 표면 에너지를 방출 바나듐 행렬로부터 expulsed된다. 그것은 수직 비스무트 나노 와이어를 형성 비스무트 nanodomains 제명의 연속이다. 비스무트 도메인 직경의 1-2 나노 미터이기 때문에, 그들은 실온에서 그들을 거의 용융 만드는 중요한 융점 억제 될 수 있습니다. 그 결과, 나노 와이어 성장은 RT 유지 기판과 진행한다. 한편, 비스무트 도메인의 이동이 열적으로 활성화 된 바와 같이, 나노 와이어의 길이 및 폭은 단순히 성장 기판의 온도를 조절함으로써 넓은 범위에 걸쳐 조정될 수있다. 상세한 프로토콜은 비디오 필드에 새로운 실무자 고진공, 산소가없는 환경에서 박막의 물리적 증착과 관련된 다양한 일반적인 문제를 방지하기위한 것이다.
Protocol
Representative Results
Discussion
비스무트 나노 와이어의 성장이 적어도 두 개의 증착 원, 바나듐 비스무트 용과 서로 물리적 기상 증착 시스템에서 수행되어야한다. 그것은 소스 중 하나는 바나듐의 증착을위한 마그네트론 스퍼터링 소스,하는 것이 좋습니다. 높은 진공 건조 스크롤 펌프에 의해 뒷받침 터보 분자 펌프에 의해 달성된다. 증착 시스템은 두께 시츄 모니터링에 대해 보정 한 수정 마이크로 저울 (QCM)을 갖추고…
Divulgations
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).
