Seedless Vekst av Bismuth nanowire Array via Vacuum Thermal Fordampning
Summary
A protocol for seedless and high yield growth of bismuth nanowire arrays through vacuum thermal evaporation technique is presented.
Abstract
Her en seedless og mal-fri teknikk er vist å scalably vokse vismut nanotråder, gjennom termisk fordampning i høy vakuum ved RT. Konvensjonelt er reservert for fremstilling av metall-tynnfilmer, termisk fordampning innskudd vismut i en rekke vertikale eneste krystallinske nanotråder over en flat tynn film av vanadium holdt ved RT, som er fersk utfelt ved sputtering eller termisk fordampning. Ved å kontrollere temperaturen av vekstsubstrat lengden og bredden av nanotråder kan avstemmes over et bredt område. Ansvarlig for denne nye teknikken er en tidligere ukjent nanowire vekst mekanisme som røtter i mild porøsitet av vanadium tynn film. Infiltrert i porene vanadium-, vismut domener (~ 1 nm) bære høye overflateenergi som undertrykker deres smeltepunkt og støter dem kontinuerlig ut av vanadium matrisen for å danne nanotråder. Denne oppdagelsen viser muligheten for skalerbar dampfase synthesis av høy renhetsgrad nanomaterialer uten bruk av katalysatorer.
Introduction
Nanowires begrense transport av ladningsbærere og andre quasiparticles, slik som fotoner og plasmons i en dimensjon. Følgelig nanowires vanligvis viser nye elektriske, magnetiske, optiske og kjemiske egenskaper, som tildeles dem nesten uendelig potensial for applikasjoner i mikro / nano elektronikk, fotonikk, biomedisinske, miljø- og energirelaterte teknologier. 1,2 I løpet av de siste to tiårene, mange top-down og bottom-up tilnærminger har blitt utviklet for å syntese et bredt spekter av høy kvalitet metall eller halvleder nanotråder i laboratorieskala. 3-6 Til tross for denne utviklingen, er avhengig hver tilnærming på visse unike egenskapene til det endelige produktet for sin suksess. For eksempel er den populære damp-væske-faststoff (VLS) -metoden bedre passform for de halvledermaterialer som har høyere smeltepunkter og danner eutektiske legering med tilsvarende katalysa "frø". 7. Som et resultat av syntese av et nanowiremateriale av spesiell interesse kan ikke dekkes av eksisterende teknikker.
Som en semimetal med liten indirekte bandet overlapp (-38 meV ved 0 K) og uvanlig lys ladningsbærere, er vismut et slikt eksempel. Materialet oppfører seg helt annerledes ved redusert dimensjon i forhold til dets masse, som quantum sperring kunne skru vismut nanotråder eller tynne filmer i et smalt bånd gap halvleder. 8-12 I mellomtiden overflaten av vismut danner en kvasi-todimensjonal metall som er betydelig mer metall enn bulk. 13,14 Det ble vist at overflaten av vismut oppnår en elektronmobilitet på 2 x 10 cm 2 4 V -1 sek -1 og bidrar sterkt til den termoelektriske kraft i nanowire form. 15 Som sådan, det er betydelige interesser på å studere vismut nanotråder for elektronisk og i spesielle termoapplikasjoner. 12-16 Men på grunn av vismut er svært lavsmeltepunkt (544 K) og beredskap for oksidering, er det fortsatt en utfordring å syntese av høy kvalitet og enkle krystallinsk vismut nanotråder som bruker tradisjonelle dampfase eller oppløsningsfase teknikker.
Tidligere har det vært rapportert noen grupper som eneste krystallinske vismut nanowires vokse ved lavt utbytte i løpet av vakuumavsetning av vismut tynn film, noe som skyldes frigjøring av spenning bygget inn i filmen. 17-20 nylig oppdaget vi en ny teknikk som er basert på den termiske fordampning av vismut under høyt vakuum og fører til skalerbar dannelsen av enkelt krystallinsk vismut nanotråder i høyt utbytte. 21 Sammenlignet med tidligere rapporterte metoder, den mest unike trekk ved denne teknikken er at vekstsubstratet er nylig belagt med et tynt lag av nanoporøse vanadium før vismut deponering. Under den sistnevnte termiske fordampning infiltrerer vismut damp til nanoporøse strukturen av vanAdium film og kondenserer der som nanodomains. Da vanadium ikke fuktes av kondensert vismut, blir infiltrert domenene deretter trengt ut fra vanadium matrisen for å frigjøre deres overflateenergi. Det er kontinuerlig utvisningen av vismut nanodomains som danner de vertikale vismut nanotråder. Siden vismut domener er bare 1-2 nm i diameter, de er utsatt for betydelig undertrykkelse smeltepunkt, noe som gjør dem nesten smeltet ved RT. Som et resultat fortsetter nanowires vekst med substratet holdes ved RT. På den annen side, som migrering av vismut-domenene er termisk aktivert, lengden og bredden av nanotråder kan være innstilt over et vidt område ved ganske enkelt å kontrollere temperaturen i vekstsubstratet. Denne detaljerte video protokollen er ment å hjelpe nye utøvere innen unngå forskjellige vanlige problemer i forbindelse med fysisk dampavsetning av tynne filmer i høyvakuum, oksygenfritt miljø.
Protocol
Representative Results
Discussion
Veksten av vismut nanotråder er å bli utført i en fysisk dampavsetningssystem med minst to deponeringskilder, en for vismut og en annen for vanadium. Det anbefales at en av kildene er en magnetron sputtering kilde, for utfelling av vanadium. Høyt vakuum oppnås ved en turbomolecular pumper støttet av en tørr bla pumpe. Dampavsetningssystem er utstyrt med et kalibrert kvartskrystall mikrovekt (QCM) for in situ tykkelse overvåking. Dampavsetningssystem har elektriske gjennomføringer for lukket sløyfe tem…
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).
