הכנת Macroporous Epitaxial קוורץ סרטים על הסיליקון על ידי פתרון כימי הפקדת
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
כאשר חומר פיזואלקטריים כמו α-קוורץ מוגש להטית מתח הוא עובר דפורמציה מכאנית. אם חומר זה הוא נקבובי, שינויי הנפח אלה יכולים להוביל להתרחבות נקבובית או התכווצות, יצירת מערכת מגיבה דומה למה שאפשר לראות בחיים אברונים ביולוגיים. 1 α-קוורץ נקבובי עיוותים הופק באמצעות microfabrication, 2 אבל טכניקות כגון לא יכולה עדיין לייצר מבנים נקבוביות 3-D, וקטרים נקבוביות הם בסדר הגודל של מאות ננומטרים. התגבשות של סיליקה אמורפית המובנה התעכבה בשל התגרענות הומוגניות שנגרמה על ידי אנרגיות גבוהות משטח ועיוות אדריכלית בשל coarsening והתכה. יתר על כן, כיוון שכל הצורות של סיליקה בנויות על SiO 4 רשתות tetrahedral יציבים מאוד, האנרגיות חופשיות של היווצרות של סיליקה אמורפית, α-קוורץ וSiO 2 הפולימורפים אחרים הן כמעט שווים במגוון רחב של טמפרטורות, המצאתי ז זה קשה לייצר α-קוורץ כpolymorph יחיד מההתגבשות של ג'ל סיליקה אמורפית. 3 היבט נוסף שהופך קשה יותר ההתגבשות מבוקרת של סיליקה אמורפית המובנה היא קוורץ המציג שיעור נוקלאציה איטי יחסית אבל שיעור צמיחה מהיר ביותר, דיווח בין 10-94 ננומטר / sec. 4,5 התגרענות איטית בשילוב עם צמיחה מהירה נוטה ליצור גבישים גדולים בהרבה ממבנה nanoporous המקורי, ובכך המורפולוגיה המקורית הולכת לאיבוד. מתכות אלקליות, כגון Na + וLi +, היו בשימוש להתגבש α-קוורץ, לעתים קרובות בשילוב עם טיפול הידרותרמיות. 5,6 כמו כן, Ti 4+ / Ca 2 + שילוב הועסק להתגבש חלקיקים כדוריים של סיליקה ל קוורץ על ידי מסלול כימיה רך באמצעות alcoxides סיליקון. 7 עם זאת, הגיבוש המבוקר של סרט סיליקה אמורפית מובנה לקוורץ נשאר אתגר.
<p class=""> לאחרונה, סטרונציום כבר מצא "jove_content" לזרז את ההתגרענות וצמיחה של גבישי SiO 2 בלחץ הסביבה וטמפרטורות נמוכות יחסית. 8,9 Epitaxy, נובע מההתאמה החיובית בין α-קוורץ והמצע> סיליקון <100, הפקת סרטים דקים פיזואלקטריים בכיוון. מושרה אידוי הרכבה עצמית להפיק סרטי סיליקה mesoporous כבר בשימוש מאז 1999. 10 טכניקה זו נחקרה ויושמה למספר רב של סוכני בניית תבנית בתנאים שונים כדי לייצר נקבוביות בגדלים וmesophases משתנים. זה כבר נמצא כי שינויי subnanometric בגודל mesopore יכולים להיות השפעה דרמטית על דיפוזיה מומסת באמצעות מערכות נקבוביות 11, אימות תשומת לב נרחבת זה להתעמק מבנה. יתר על כן, ניתן להשיג נגישות למערכת הנקבובית סיליקה הפנימית על ידי שליטה על שלב micellar של התבנית. 12כאן, לא מסלול הסינתזהכובע מאפשר שליטה חסרת תקדים על גודל העובי ונקבובי של שכבות סיליקה אמורפית באמצעות הפרדת שלב רומן באה לידי ביטוי. 13 סרטים אלה הסתננו עם (II) מלחי אב ולα-קוורץ המגובש ב 1000 מעלות צלזיוס תחת אוויר בלחץ הסביבה. הגודל הנקבובית retainable באמצעות תהליך התגבשות זה נקבע, ואת ההשפעה של עובי קיר ועובי סרט היא למדה. לבסוף piezoelectricity וdeformability של המערכת הנקבובית הם למדו.
Protocol
Representative Results
Discussion
השיטה שהוצגה היא גישה מלמטה למעלה להפיק סרטי קוורץ macroporous על סי. לעומת השיטה סטנדרטית של הפקת סרטי קוורץ, טכנולוגיה מלמעלה למטה מבוססת על חיתוך וליטוש של גבישים גדולים גדלו hydrothermally, בשיטה המתוארת בפרוטוקול מאפשר קבלת סרטים הרבה יותר רזים עם עובי 150 ו -450 ננומטר בין מה ש…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מומנה בחלקה על ידי פרויקט Peps של תָאוֹן Energie INSIS-CNRS (1D-RENOX) לACG והממשלה הספרדית (MAT2012-35324 ופאי-201460I004).
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 |
Riferimenti
- Esser, A. T., Smith, K. C., Gowrishankar, T. R., Vasilkoski, Z., Weaver, J. C. Mechanisms for the intracellular manipulation of organelles by conventional electroportation. Biophys. J. 98 (11), 2506-2514 (2010).
- Stava, E., Yu, M., Shin, H. C., Shin, H., Kreft, D. J., Blick, R. H. Rapid fabrication and piezoelectric tuning of micro- and nanopores in single crystal quartz. Lab Chip. 13 (1), 156-160 (2013).
- Varshneya, A. K. . Fundamentals of Inorganic Glasses. , (1994).
- Christov, M., Kirov, G. C. The ratio of dissolving surface area/growing surface area in the hydrothermal growth of quartz. J. Cryst. Growth. 131 (3-4), 560-564 (1993).
- Bertone, J. F., Cizeron, J., Wahi, R. K., Bosworth, J. K., Colvin, V. L. Hydrothermal synthesis of quartz nanocrystals. Nano Lett. 3, 655-659 (2003).
- Jiang, Y., Brinker, C. J. Hydrothermal synthesis of monodisperse single-crystalline alpha-quartz nanospheres. Chem. Comm. 47 (26), 7524-7526 (2011).
- Okabayashi, M., Miyazaki, K., Kono, T., Tanaka, M., Toda, Y. Preparation of Spherical Particles with Quartz Single. Chem. Lett. 34 (1), 58-59 (2005).
- Carretero-Genevrier, A., et al. Soft-Chemistry-Based Routes to Epitaxial α-Quartz Thin Films with Tunable Textures. Science. 340 (6134), 827-831 (2013).
- Brinker, C. J., Clem, P. G. Quartz on Silicon. Science. 340 (6134), 818-819 (2013).
- Brinker, C. J., Lu, Y., Sellinger, A., Fan, H. Evaporation-Induced Self-Assembly: Nanostructures Made Easy. Adv. Mater. 11 (7), 579-585 (1999).
- Griffith, C. S., Sizgek, G. D., Sizgek, E., Scales, N., Yee, P. J., Luca, V. Mesoporous Zirconium Titanium Oxides. Part 1: Porosity Modulation and Adsorption Properties of Xerogels. Langmuir. 24 (21), 12312-12322 (2008).
- Lu, Y., et al. Continuous formation of supported cubic and hexagonal mesoporous films by sol-gel dip-coating. Nature. 389 (6649), 364-368 (1997).
- Drisko, G. L., et al. Water-Induced Phase Separation Forming Macrostructured Epitaxial Quartz Films on Silicon. Adv. Funct. Mater. 24 (35), 5494-5502 (2014).
