Voorbereiding van Macroporeuze Epitaxiale Quartz Films on Silicon door chemische oplossing Deposition

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

Bij een piëzo-elektrisch materiaal zoals α-kwarts een spanning voorspanning wordt ingediend ondergaat een mechanische vervorming. Indien dit materiaal poreus is, kunnen deze volumeveranderingen tot porie uitzetting of krimp, scheppen van een systeem vergelijkbaar met wat kan worden waargenomen in levende biologische organellen. ¹ vervormbare poreuze α-kwarts is geproduceerd microfabricage, ² maar deze technieken kunnen nog niet produceren 3-D poriestructuren en poriën diameters in de orde van honderden nanometers. Kristallisatie van gestructureerde amorfe silica werd belemmerd door homogene nucleatie veroorzaakt door hoge oppervlakte-energieën en architecturale vervorming als gevolg van vergroving en smelten. Aangezien alle vormen van silica gebouwd op uiterst stabiele SiO ₄ tetraëdrische netwerken, de vrije energie van vorming van amorfe silica, α-kwarts en andere SiO ₂ polymorfen zijn bijna gelijk in een breed temperatuurbereik, makinG het moeilijk α-kwarts produceren als een polymorf van de kristallisatie van een amorf silica gel. ³ Een ander aspect dat maakt harder gecontroleerde kristallisatie van gestructureerde amorfe silica dat quartz tijd relatief langzame nucleatiesnelheid maar een extreem snelle groei, gerapporteerd tussen 10-94 nm / sec. ^4,5 Slow nucleatie combinatie met snelle groei neiging om kristallen veel groter dan de oorspronkelijke nanoporeuze structuur, waardoor de oorspronkelijke morfologie verloren genereren. Alkalimetalen, zoals Na ⁺ en Li ^+, zijn gebruikt om α-kwarts kristalliseren, vaak in combinatie met hydrothermische behandeling. ^5,6 Ook een Ti ⁴⁺ / ^Ca2 + combinatie werd toegepast om bolvormige deeltjes van siliciumdioxide kristalliseren tot kwarts door een zachte chemische route met behulp van silicium alcoxides. ⁷ Maar de gecontroleerde kristallisatie van een gestructureerde amorfe silica film in kwarts bleef een uitdaging.

<p class="jove_content"> Onlangs, strontium is gevonden om de kiemvorming en groei van kristallijne SiO ₂ onder omgevingsdruk en relatief lage temperaturen te katalyseren. ^8,9 Epitaxy, ontstaat door de gunstige mismatch tussen α-kwarts en de <100> siliciumsubstraat, producerende georiënteerde piëzo-elektrische dunne films. Verdamping geïnduceerde zelf-assemblage op mesoporeuze silica films produceren is gebruikt sinds 1999. ¹⁰ Deze techniek is bestudeerd en toegepast op een veelheid van malmiddelen onder verschillende omstandigheden poriën van verschillende afmetingen en mesofasen produceren. Gebleken is dat subnanometric veranderingen in mesoporie grootte een dramatisch effect op opgeloste stof diffusie hebben door poreuze systemen ^11, het valideren van deze uitgebreide aandacht structuur poriën. Bovendien kan de toegankelijkheid van het interne silica poriënsysteem worden verkregen door regeling van de micellaire fase van het template. ¹²

Hier, de syntheseroute tpet maakt ongekende controle over de dikte en de poriegrootte van amorf silica lagen Volgens een nieuw fasescheiding wordt gedemonstreerd. ¹³ Deze films worden geïnfiltreerd met Sr (II) zouten en gekristalliseerd aan a-kwarts bij 1000 ° C onder lucht bij omgevingsdruk. De poriegrootte retainable met deze kristallisatieproces wordt bepaald, en het effect van de wanddikte en filmdikte wordt bestudeerd. Tenslotte wordt de piëzo-elektriciteit en de vervormbaarheid van het poriënsysteem bestudeerd.

Protocol

1. Bereiding van de Sol Bereid een oplossing van geprehydrolyseerde tetraethylorthosilicaat (TEOS) de dag vóór de bereiding van het gel films in een zuurkast waar een laboratoriumbalans en een magnetische roerder geplaatst. In deze stap en in de hele protocol dragen van een laboratoriumjas, handschoenen en een veiligheidsbril. In een bekerglas van 50 ml dat een met Teflon beklede magnetische roerstaaf weegt 1,68 g CTAB, voeg 48,13 ml ethanol en 3,00 ml HCl 35%, Bedek het bekerglas met een horlogegl…

Representative Results

De voortgang van het materiaal synthese gecontroleerd door het monitoren van verschillende aspecten. Na de dip-coating proces kan men het aspect van de films, de uiteindelijke verschijning van diffractie structuren in de gereflecteerde spot van een groene laser en de Scanning Electron Microscopy (SEM) beelden in terugverstrooide elektronen mode (Figuur 1A-B) waarnemen. Nadat het kristallisatieproces is het belangrijk Atomic Force Microscopy (AFM) topografische beelden <s…

Discussion

De gepresenteerde methode is een bottom-up benadering van macroporeus kwarts films op Si produceren. Vergeleken met de standaard werkwijze voor de productie van kwarts films, een top-down technologie op basis van snijden en polijsten van grote hydrothermaal gegroeid kristallen, de in het protocol beschreven werkwijze maakt het verkrijgen van veel dunnere films met diktes tussen 150 en 450 nm, die kan worden bediend met de terugtrekking tarief. Alle experimentele details inzake de controle van kwarts films dikte en piëz…

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