Pitloze groei van bismut Nanowire Array via Vacuum Thermische Verdamping
Summary
A protocol for seedless and high yield growth of bismuth nanowire arrays through vacuum thermal evaporation technique is presented.
Abstract
Hier een pitloze en-template vrije techniek is aangetoond dat schaalbaar groeien bismut nanodraden, door middel van thermische verdamping in hoog vacuüm bij kamertemperatuur. Gewoonlijk gereserveerd voor de fabricage van dunne metalen films, thermische verdamping afzettingen bismut in een array verticale monokristallijn nanodraden over een vlakke dunne film van vanadium gehouden bij kamertemperatuur, dat vers wordt afgezet door sputtering of thermische verdamping. Door het regelen van de temperatuur van het groeisubstraat de lengte en breedte van de nanodraden kunnen worden afgestemd over een breed gebied. Verantwoordelijk voor deze nieuwe techniek is een onbekende nanodraad groeimechanisme dat wortels in de milde porositeit van het vanadium dunne film. Geïnfiltreerd in de vanadium poriën, de bismut domeinen (~ 1 nm) voeren excessieve oppervlakte-energie dat hun smeltpunt onderdrukt en continu verdrijft hen uit het vanadium matrix om nanodraden te vormen. Deze ontdekking toont de haalbaarheid van schaalbare dampfase synthESIS van hoge zuiverheid nanomaterialen zonder gebruik van katalysatoren.
Introduction
Nanodraden beperken het transport van ladingsdragers en andere quasideeltjes, zoals fotonen en plasmonen in één dimensie. Dienovereenkomstig nanodraden vertonen gewoonlijk nieuwe elektrische, magnetische, optische en chemische eigenschappen, waardoor zij vrijwel onbeperkte mogelijkheden kennen voor toepassingen in micro / nano-elektronica, fotonica, biomedische, milieu- en energie-gerelateerde technologieën. 1,2 Gedurende de laatste twee decennia verschillende top-down en bottom-up benaderingen zijn ontwikkeld om een breed scala aan hoogwaardige metalen of halfgeleidende nanodraden op laboratoriumschaal. 3-6 synthese Ondanks deze ontwikkelingen, elke benadering is gebaseerd op een aantal unieke eigenschappen van het uiteindelijke product voor zijn succes. Bijvoorbeeld, de populaire damp-vloeistof-vaste stof (VLS) methode beter geschikt voor halfgeleidermaterialen die hogere smeltpunten en hiervan eutectische legering met overeenkomstige katalytisch "zaden". 7 Daardoor de synthese van een nanodraadmateriaal van bijzonder belang kan niet worden gedekt door bestaande technieken.
Als halfmetaal met kleine indirecte band overlap (-38 meV bij 0 K) en ongewoon licht ladingsdragers, bismut is een voorbeeld van. Het materiaal gedraagt zich radicaal verschillend op verminderde afmeting vergeleken met de massa, zoals kwantumopsluiting bismut nanodraden of dunne films zou kunnen uitmonden in een smalle band gap halfgeleidermateriaal. 8-12 Ondertussen het oppervlak van bismut vormt een quasi-tweedimensionaal metalen die aanzienlijk meer metalen dan de breedte. 13-14 werd aangetoond dat het oppervlak van bismut bereikt een elektronenmobiliteit van 2 x 10 4 cm 2 V -1 sec -1 en draagt sterk bij aan de thermische energie in de vorm nanodraad. 15 Al dergelijke, zijn er aanzienlijke belangen op het bestuderen van bismut nanodraden voor elektronische en in het bijzonder thermo-toepassingen. 12-16 Echter, vanwege de zeer lage bismut'ssmeltpunt (544 K) en de bereidheid voor oxidatie, het blijft een uitdaging om hoge kwaliteit en enkele kristallijne bismut nanodraden met behulp van traditionele damp fase of oplossing fasetechnieken synthese.
Eerder is gerapporteerd door verschillende groepen die monokristallijn bismuth nanodraden groeien bij lage opbrengst tijdens vacuum depositie van bismut dunne film, die wordt toegeschreven aan het vrijkomen van stress ingebouwd in de film. 17-20 Recentelijk, ontdekten we een nieuw techniek die is gebaseerd op de thermische verdamping bismut onder hoog vacuüm en leidt tot de schaalbare vorming van monokristallijn bismuth nanodraden in hoge opbrengst. 21 Vergeleken met eerder gerapporteerde methoden, de meest unieke eigenschap van deze techniek is dat het groeisubstraat is vers gecoat met een dun laagje nanoporeuze vanadium vóór afzetting bismut. Tijdens thermische verdamping van laatstgenoemde, bismutdamp infiltreert in de nanoporeuze structuur van de vanAdium film en condenseert daar nanodomains. Omdat vanadium niet wordt bevochtigd door gecondenseerde bismut, worden de domeinen geïnfiltreerd vervolgens uitgezet van vanadium matrix om hun oppervlakte energie vrij te geven. Het is de continue verwijdering van het bismut nanodomains de verticale bismut nanodraden vormt. Aangezien de bismut domeinen slechts 1-2 nm in diameter, zijn zij onderhevig aan aanzienlijke smeltpunt onderdrukken, waardoor ze bijna gesmolten bij kamertemperatuur maakt. Daardoor groei nanodraden overgaat tot het substraat gehouden op kamertemperatuur. Anderzijds, als de migratie van het bismut domeinen thermisch geactiveerd, de lengte en breedte van de nanodraden kan over een breed bereik afgestemd door simpelweg de temperatuur van het groeisubstraat. Deze gedetailleerde video protocol is bedoeld om nieuwe mensen in het veld te vermijden verschillende gemeenschappelijke problemen in verband met fysieke damp depositie van dunne films in een hoog vacuüm, zuurstofvrije omgeving.
Protocol
Representative Results
Discussion
De groei van bismut nanodraden wordt uitgevoerd in een fysische dampafzetting met ten minste twee afzetting bronnen, een voor bismut en een voor vanadium. Aanbevolen wordt een van de bronnen is een magnetron sputtering bron, voor de afzetting van vanadium. Hoog vacuüm wordt bereikt door een turbomoleculaire pompen ondersteund door een droge spiraalpomp. Het opdampen is uitgerust met een geijkte kwartskristal microbalans (QCM) in situ dikte monitoring. De damp depositie systeem heeft elektrische doorvoerdraden …
Disclosures
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).
