화학 용액 증착에 의해 실리콘에 거대 다공성 에피 택셜 석영 필름의 제조

Summary

A protocol is presented for the preparation of piezoelectric macroporous epitaxial films of quartz on silicon by solution chemistry using dip-coating and thermal treatments in air.

Abstract

This work describes the detailed protocol for preparing piezoelectric macroporous epitaxial quartz films on silicon(100) substrates. This is a three-step process based on the preparation of a sol in a one-pot synthesis which is followed by the deposition of a gel film on Si(100) substrates by evaporation induced self-assembly using the dip-coating technique and ends with a thermal treatment of the material to induce the gel crystallization and the growth of the quartz film. The formation of a silica gel is based on the reaction of a tetraethyl orthosilicate and water, catalyzed by HCl, in ethanol. However, the solution contains two additional components that are essential for preparing mesoporous epitaxial quartz films from these silica gels dip-coated on Si. Alkaline earth ions, like Sr²⁺ act as glass melting agents that facilitate the crystallization of silica and in combination with cetyl trimethylammonium bromide (CTAB) amphiphilic template form a phase separation responsible of the macroporosity of the films. The good matching between the quartz and silicon cell parameters is also essential in the stabilization of quartz over other SiO₂ polymorphs and is at the origin of the epitaxial growth.

Introduction

α-석영 등의 압전 재료는 전압 바이어스로 제출 될 때, 기계적 변형을 겪는다. 이 물질은 다공성의 경우, 이러한 부피 변화는 생물 세포 소기관 생활에서 관찰 할 수있다 것과 유사한 반응 시스템을 구축, 모공 확장 또는 수축으로 이어질 수 있습니다. ¹ 변형 가능한 다공성 α-석영 마이크로, ^2를 사용하여 제작되었지만, 이러한 기술은 아직 없습니다 3 차원 세공 구조를 생성하고, 세공 직경이 수백 나노 미터의 순서이다. 구조화 된 무정형 실리카의 결정화 인해 조 및 용융에 높은 표면 에너지와 건축 변형에 의한 불균일 핵에 의해 방해되었다. 실리카의 모든 형태가 매우 안정적 그런가 ₄ 면체 네트워크에 내장되어 있기 때문에 또한, 비정질 실리카, 석영 및 _α-SiO2를 다른 다 형체의 형성에의 자유 에너지는 광범위한 온도 범위에서, 지는데 거의 동등g 것이 곤란 비정질 실리카 겔의 결정화에서 단일 다 형체로서 α-석영을 생성한다. ⁽³⁾ 구조의 비정질 실리카의 제어 결정화가 석영 비교적 느린 핵 생성 속도하지만 매우 빠른 성장 속도를 제공하다 어렵게 만드는 다른 특징을, 10에서 94 사이 nm의 사이를보고 / 초. 빠른 성장과 함께 ^4,5- 느린 핵 따라서 원래의 형태가 손실 된 원래의 나노 다공성 구조보다 훨씬 큰 결정을 생성하기 쉽다. 예컨대 나트륨 ⁺ 및 리 ⁺ 등의 알칼리 금속은, 자주 열수 처리와 조합하여, α-석영을 결정화하는데 사용되어왔다. ^5,6 또한 티 ⁴⁺ / ^칼슘 결합으로 실리카의 구형 입자를 구체화하는데 이용 하였다 실리콘을 사용 alcoxides 소프트 화학 행함으로써 석영. ⁷ 그러나, 석영으로 구조화 된 무정형 실리카 막의 결정화 제어 도전 남아 있었다.

<p class="jove_content은"> 최근, 스트론튬은 주위 압력과 상대적으로 낮은 온도에서 핵 생성과 결정 그런가 _2의 성장을 촉진하는 것으로 확인되었습니다. ^8,9 에피 택시, α-석영과 <100> 실리콘 기판 사이의 유리한 불일치에서 발생, 배향 된 압전 박막의 제조. 증발 유도 자기 조립 메조 포러스 실리카 필름을 생성하기 위해 1999 년 이후 ^10이 기술 연구되었다 가변 크기와 준결 정상의 기공을 생성하기 위해 다양한 조건 하에서 템플 레이팅 제제의 다수 적용에 사용되어왔다. 이것은 중간 기공 크기 subnanometric 변경 구조 기공이 광범위하게 주목을 검증하는 시스템 ^(11)을 통해 다공질 용질 확산에 큰 영향을 미칠 수있는 것으로 밝혀졌다. 또한, 내부 기공 실리카 시스템 접근성 템플릿 미셀 위상을 제어함으로써 얻을 수있다. ⁽¹²⁾

여기서, 합성 경로 t모자는 소설 상 분리가 입증되는 비정질 실리카 층의 두께와 기공 크기를 통해 전례없는 제어 할 수 있습니다. ^(13)이 영화는 주위 압력에서 공기에서 1,000 ℃에서 시니어 (II) 염 및 결정화하는 α-석영으로 침투한다. 이 결정화 공정을 이용하여 보존 가능한 기공 크기가 결정되고, 벽 두께 및 막 두께의 영향이 연구된다. 마지막으로 압전 및 기공 시스템의 변형성을 공부한다.

Protocol

솔 1. 준비 전가 수분 테트라 에틸 오르토 실리케이트 (TEOS) 실험실 밸런스 및 자기 교반기가 배치되는 흄 후드의 겔 필름의 제조 전날의 용액을 제조 하였다. 프로토콜이 단계에서과를 통해 실험실 코트, 장갑과 보안경을 착용하십시오. 테플론 코팅 된 자기 교반 막대가 CTAB 1.68 g의 무게를 함유하는 50 ㎖의 비이커에, 시계 접시로 덮고 비커 48.13 ml의 에탄올과 염산 35 %, 3.00 mL를 추가?…

Representative Results

재료 합성의 진행은 다른 측면을 모니터링하여 조절 하였다. 침지 코팅 공정 후 하나는 필름의 형태, 그린 레이저 및 주사 전자 현미경 (SEM) 후방 산란 된 전자 모드 (도 1A-B)의 화상의 반사 스폿의 회절 구조의 최종 외관을 관찰 할 수있다. 결정화 공정 후에는 원자 힘 현미경 (AFM) 지형 이미지 (도 1C)와 그 α-석영 막 사이의 에피 택셜 관계 (α-Q를 나…

Discussion

제시된 방법은 실리콘에 석영 거대 다공성 필름을 제조하는 상향식 접근법이다. 석영 필름의 생산의 표준 방법에 비해, 하향식 기술로 제어 될 수있다 (150) 및 450 nm의 사이의 두께로 훨씬 더 얇은 필름을 절단하고 큰 열적 성장 된 결정의 연마는, 프로토콜에 기재된 방법이 얻어에 기초 철수 속도. 석영 필름 두께, 압전 반응의 제어에 관한 모든 실험 세부 사항은 참고 문헌 ^{8, 13에보고됩니다.</s…}

Materials

Dip coater	Nadetech	ND-DC 11/150
Furnace	Nabertherm	R 50/250/12
Atomic Force Microscope	Agilent	5500 LS
Materials and Reagents
Silicon wafers	SHE Europe Ltd.
SrCl2·6H2O	Aldrich	13909
CTAB	Aldrich	H5582
Ethanol Absolute	Aldrich	161086
HCl 35% solution	PanReac	721019
TEOS	Aldrich	131903