Preparazione di macroporosi Epitassiali Films quarzo su silicio da Solution Chemical 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

Quando un materiale piezoelettrico come α-quarzo viene sottoposto ad una polarizzazione di tensione subisce una deformazione meccanica. Se questo materiale è poroso, queste variazioni di volume possono portare all'espansione dei pori o la contrazione, creando un sistema di risposta simile a quello che si può osservare nel vivere organelli biologici. ¹ deformabile α-quarzo poroso è stato prodotto utilizzando microfabbricazione, ² ma queste tecniche non possono ancora produrre strutture pori 3-D, e diametri dei pori sono dell'ordine di centinaia di nanometri. Cristallizzazione di strutturato silice amorfa è stato ostacolato da nucleazione disomogenea causata da energie superficiali elevate e deformazione architettonico a causa di grossolani e fusione. Inoltre, dal momento che tutte le forme di silice sono costruiti su estremamente stabili SiO _{4 reti} tetraedrici, le energie libere di formazione di silice amorfa, α-quarzo e altri SiO ₂ polimorfi sono quasi uguali in un ampio intervallo di temperature, making è difficile produrre α-quarzo come un singolo polimorfo dalla cristallizzazione di un gel di silice amorfa. ³ Un altro aspetto che rende difficile la cristallizzazione controllata di strutturato silice amorfa è che il quarzo presenta una velocità di nucleazione relativamente lento ma un tasso di crescita estremamente veloce, riportati tra 10-94 nm / sec. ^4,5 lenta nucleazione accoppiato con rapida crescita tende a generare cristalli molto più grandi rispetto alla struttura nanoporoso originale, così la morfologia originaria viene persa. Metalli alcalini, quali Na ⁺ e Li ^+, sono stati utilizzati per cristallizzare α-quarzo, spesso in combinazione con il trattamento idrotermico. ^5,6 Inoltre, un legame Ti ⁴⁺ / Ca ²⁺ combinazione è stata impiegata per cristallizzare particelle sferiche di silice nella quarzo per una via chimica morbido utilizzando alcossidi di silicio. ^7, tuttavia, la cristallizzazione controllata di una pellicola strutturata silice amorfa in quarzo è rimasta una sfida.

<p class="jove_content"> Recentemente, stronzio è stato trovato per catalizzare la nucleazione e la crescita di cristallina SiO ₂ sotto pressione ambiente e temperature relativamente basse. ^8,9 epitassia, nasce dalla mancata corrispondenza tra α-favorevole quarzo e il substrato <100> silicio, la produzione di film sottili piezoelettrici orientati. È stato usato per evaporazione indotta autoassemblaggio di produrre film di silice mesoporosa dal 1999. ¹⁰ Questa tecnica è stata studiata e applicata ad una moltitudine di templanti in varie condizioni per produrre pori di dimensioni e mesophases variabili. Si è trovato che le variazioni di dimensione mesopore subnanometric possono avere un effetto drammatico sul soluto diffusione attraverso sistemi porosi ^11, convalidando questa grande attenzione alla struttura dei pori. Inoltre, l'accessibilità al sistema dei pori di silice interno può essere ottenuta controllando la fase micellare del modello. ¹²

Qui, la via di sintesi tcappello permette un controllo senza precedenti sullo spessore e dimensione dei pori di strati di silice amorfa con una separazione di fase romanzo è dimostrata. ¹³ Questi film sono infiltrati con (II) sali Sr e cristallizzato ad a-quarzo a 1000 ° C sotto aria a pressione ambiente. La dimensione dei pori retainable utilizza questo processo di cristallizzazione è determinata, e l'effetto dello spessore della parete e spessore del film è studiato. Infine la piezoelettricità e la deformabilità del sistema di pori sono studiati.

Protocol

1. Preparazione del sol Preparare una soluzione di prehydrolyzed tetraetilortosilicato (TEOS) il giorno prima della preparazione dei film di gel in una cappa aspirante in cui una bilancia da laboratorio e un agitatore magnetico sono vincolate. In questa fase e in tutto il protocollo indossare un camice da laboratorio, guanti e occhiali di protezione. In un bicchiere da 50 ml contenente un agitatore magnetico rivestito di Teflon pesare 1,68 g di CTAB, aggiungere 48,13 ml di etanolo e 3,00 ml di HCl 35…

Representative Results

Il progresso della sintesi materiale è stato controllato dal controllo di diversi aspetti. Dopo il processo di dip-coating si può osservare l'aspetto dei film, l'eventuale comparsa di strutture di diffrazione nel punto riflessa di un laser verde e la microscopia elettronica a scansione (SEM) immagini in modalità retrodiffusi elettroni (Figura 1A-B). Dopo il processo di cristallizzazione è importante registrare Atomic Force Microscopy (AFM) immagini topografic…

Discussion

Il metodo presentato è un approccio bottom-up per la produzione di film di quarzo macroporose su Si. Rispetto al metodo standard di produzione di film di quarzo, una tecnologia top-down basato sul taglio e la lucidatura di grandi cristalli idrotermica coltivate, il metodo descritto nel protocollo consente di ottenere film molto più sottili con spessore compreso tra 150 e 450 nm, che possono essere controllati con il tasso di ritiro. Tutti i dettagli sperimentali sul controllo di quarzo film di spessore, e la risposta …

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