Preparación de macroporosas Epitaxial cuarzo Films en silicio por la solución de deposición química

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

Cuando un material piezoeléctrico como α-cuarzo se somete a una polarización de tensión se somete a una deformación mecánica. Si este material es poroso, estos cambios de volumen pueden conducir a la expansión de los poros o contracción, la creación de un sistema de respuesta similar a lo que se puede observar en la vivencia de orgánulos biológicos. ¹ deformable poroso α-cuarzo se ha producido usando microfabricación, ² pero estas técnicas aún no puede producir estructuras de poro 3-D, y diámetros de poro son del orden de cientos de nanómetros. La cristalización de sílice amorfa estructurado ha visto obstaculizado por la nucleación homogénea causada por energías superficiales elevadas y deformación arquitectónico debido a engrosamiento y la fusión. Además, dado que todas las formas de sílice se basan en extremadamente estables SiO _{4 redes} tetraédricos, las energías libres de formación de sílice amorfa, α-cuarzo y otros SiO ₂ polimorfos son casi iguales en una amplia gama de temperaturas, Making difícil producir α-cuarzo como un único polimorfo de la cristalización de un gel de sílice amorfa. ³ Otro aspecto que hace más difícil la cristalización controlada de sílice amorfa estructurada es que el cuarzo presenta una velocidad de nucleación relativamente lento, pero una tasa de crecimiento extremadamente rápido, reportado entre 10-94 nm / seg. ^4,5 nucleación lenta junto con el crecimiento rápido tiende a generar cristales mucho más grandes que la estructura nanoporoso original, por lo tanto se pierde la morfología original. Metales alcalinos, tales como Na ⁺ y Li ^+, se han utilizado para cristalizar α-cuarzo, con frecuencia en combinación con el tratamiento hidrotermal. ^5,6 Además, un Ti ⁴⁺ / Ca ²⁺ combinación fue empleado para cristalizar partículas esféricas de sílice en cuarzo por una ruta química suave utilizando alcóxidos de silicio. ⁷ Sin embargo, la cristalización controlada de una película de sílice amorfa estructurada en cuarzo sigue siendo un desafío.

<p class=""> Recientemente, el estroncio se ha encontrado "jove_content" para catalizar la nucleación y el crecimiento cristalino de SiO ₂ bajo presión ambiente y temperaturas relativamente bajas. ^8,9 epitaxia, surge de la falta de coincidencia entre α-favorable de cuarzo y el sustrato <100> silicio, la producción de películas delgadas orientadas piezoeléctricos. La evaporación inducida por auto-ensamblaje para producir películas de sílice mesoporosos se ha utilizado desde 1999. ¹⁰ Esta técnica se ha estudiado y se aplica a una multitud de agentes de plantilla en diversas condiciones para producir poros de tamaños variables y mesofases. Se ha encontrado que los cambios en el tamaño de mesoporos subnanométrica pueden tener un efecto dramático sobre la difusión de solutos a través de sistemas porosos ^11, validación de esta extensa atención a los poros estructura. Por otra parte, la accesibilidad al sistema de poros de sílice interna se puede obtener mediante el control de la fase micelar de la plantilla. ¹²

Aquí, la ruta de síntesis tsombrero permite un control sin precedentes sobre el tamaño de poro y grosor de las capas de sílice amorfa utilizando una novela separación de fases se demuestra. ¹³ Estas películas se infiltran con Sr (II) las sales y se cristalizó a alfa-cuarzo a 1000 ° C bajo aire a presión ambiente. El tamaño de poro retenible el uso de este proceso de cristalización se determina, y el efecto de espesor de pared y grosor de la película se estudia. Por último, la piezoelectricidad y la deformabilidad del sistema de poros se estudian.

Protocol

1. Preparación del Sol Preparar una solución de ortosilicato de tetraetilo prehidrolizado (TEOS) el día antes de la preparación de las películas de gel en una campana de humos en la que se colocan una balanza de laboratorio y un agitador magnético. En este paso y en todo el protocolo de llevar una bata de laboratorio, guantes y gafas de seguridad. En un vaso de 50 ml que contenía una barra de agitación magnética recubierta de teflón pesan 1,68 g de CTAB, añadir 48,13 ml de etanol y 3,00 ml…

Representative Results

El progreso de la síntesis material fue controlado mediante el control de diferentes aspectos. Después del proceso de recubrimiento por inmersión se puede observar el aspecto de las películas, la aparición eventual de estructuras de difracción en el lugar reflejada de un láser verde y la microscopía electrónica de barrido (SEM) en el modo de electrones imágenes retrodispersada (Figura 1A-B). Después de que el proceso de cristalización es importante para graba…

Discussion

El método presentado es un enfoque de abajo hacia arriba para producir películas de cuarzo macroporosas en Si. En comparación con el método estándar de producción de películas de cuarzo, una tecnología de arriba hacia abajo basa en corte y pulido de grandes cristales de hidrotérmicamente cultivadas, el método descrito en el protocolo permite la obtención de películas mucho más delgadas con espesores entre 150 y 450 nm que se pueden controlar con el tasa de retiro. Todos los detalles experimentales en materi…

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