Croissance sans pépins de Bismuth Nanowire tableau par évaporation thermique sous vide
Summary
A protocol for seedless and high yield growth of bismuth nanowire arrays through vacuum thermal evaporation technique is presented.
Abstract
Voici une technique sans pépins et sans modèle-est démontré à scalable croître les nanofils de bismuth, par évaporation thermique sous vide poussé à la température ambiante. Classiquement réservé pour la fabrication de films minces métalliques, dépôts de bismuth évaporation thermique dans un réseau de nanofils verticaux unique cristallines sur un film mince plat de vanadium tenue à la température ambiante, qui est fraîchement déposée par pulvérisation à magnétron ou par évaporation thermique. En contrôlant la température du substrat de croissance de la longueur et la largeur des nanofils peuvent être réglés dans un large intervalle. Responsable de cette nouvelle technique est un mécanisme de croissance de nanofils auparavant inconnu que les racines de la porosité légère du film mince de vanadium. Infiltré dans les pores de vanadium, les domaines de bismuth (~ 1 nm) transportent l'énergie de surface excessive qui supprime leur point de fusion et les expulse en permanence hors de la matrice de vanadium pour former des nanofils. Cette découverte démontre la faisabilité de la phase vapeur évolutive synthéSIAE de haute pureté nanomatériaux sans utiliser de catalyseurs.
Introduction
Les nanofils limitent le transport des porteurs de charge et d'autres quasi-particules, telles que des photons et plasmons en une dimension. En conséquence, les nanofils présentent habituellement de nouvelles propriétés électriques, magnétiques, optiques et chimiques, qui leur accordent un potentiel presque infinie pour des applications dans l'électronique, la photonique, les technologies biomédicales, environnementales et liées à l'énergie micro / nano. 1,2 Durant les deux dernières décennies, de nombreux de haut en bas et les approches bottom-up ont été développés pour la synthèse d'une large gamme de métaux ou de semi-conducteurs nanofils de haute qualité à l'échelle du laboratoire. 3-6 dépit de ces développements, chaque approche repose sur certaines propriétés uniques du produit final pour son succès. Par exemple, le procédé populaire vapeur-liquide-solide (VLS) est mieux adapté pour les matériaux semi-conducteurs qui ont des points de fusion plus élevés et forment un alliage eutectique avec catalytiques «graines» correspondant. 7 En conséquence, la synthèse d'un nanofilmatériel d'intérêt particulier ne peut pas être couvert par les techniques existantes.
Comme un métalloïde avec petit chevauchement indirecte de bande (-38 meV à 0 K) et des porteurs de charge exceptionnellement légers, de bismuth en est un exemple. Le matériau se comporte radicalement différente à dimension réduite par rapport à sa masse, comme confinement quantique pourrait tourner nanofils de bismuth ou de films minces dans un étroit intervalle de bande semi-conducteurs. 8-12 Dans l'intervalle, la surface des formes de bismuth un métal quasi-bidimensionnelle qui est nettement plus que sa masse métallique. 13,14 On a montré que la surface de bismuth réalise une mobilité des électrons de 2 × 10 4 cm 2 V -1 s -1 et contribue fortement à sa puissance thermoélectrique en forme de nanofil. 15 Comme tel, il ya des intérêts importants sur l'étude de nanofils de bismuth pour électronique et en particulier les applications thermoélectriques. 12-16 Cependant, en raison de bismuth très faiblepoint de fusion (544 K) et la préparation à l'oxydation, il reste un défi à la synthèse de nanofils de bismuth cristallin simples en utilisant des techniques traditionnelles de phase en phase vapeur ou en solution de haute qualité.
Auparavant, il a été rapporté par quelques groupes qui monocristallin nanofils de bismuth croissent à faible rendement au cours de dépôt sous vide de couches minces de bismuth, qui est attribué à la libération de stress accumulé dans le film. 17-20 Plus récemment, nous avons découvert un roman technique qui repose sur l'évaporation thermique de bismuth sous vide poussé et conduit à la formation évolutive de simples nanofils de bismuth cristallin avec un rendement élevé. 21 En comparant précédemment rapporté méthodes, la plus importante caractéristique de cette technique est que le substrat de croissance est fraîchement revêtu avec une fine couche de vanadium nanoporeux avant bismuth dépôt. Au cours de l'évaporation thermique de celui-ci, de la vapeur de bismuth infiltre dans la structure nanoporeuse du vanAdium cinéma et s'y condense comme nanodomaines. Étant donné que le vanadium ne soit pas mouillée par le bismuth condensé, les domaines infiltrés sont ensuite expulsés de la matrice de vanadium pour libérer leur énergie de surface. Il est l'expulsion continue des nanodomaines bismuth qui forme les nanofils de bismuth verticales. Depuis les domaines de bismuth sont seulement 1-2 nm de diamètre, ils sont soumis à la suppression significative du point de fusion, ce qui les rend presque fondu à RT. En conséquence, la croissance des nanofils procède au substrat maintenu à la température ambiante. D'autre part, comme la migration des domaines de bismuth est thermiquement activée, la longueur et la largeur des nanofils peuvent être réglés dans un large intervalle en contrôlant simplement la température du substrat de croissance. Ce protocole vidéo détaillée est destiné à aider les nouveaux praticiens dans le domaine éviter divers problèmes communs associés au dépôt physique en phase vapeur de films minces dans un environnement exempt d'oxygène vide poussé.
Protocol
Representative Results
Discussion
La croissance de nanofils de bismuth doit être effectuée dans un système de dépôt physique en phase vapeur avec au moins deux sources de dépôt, une autre pour le bismuth et de vanadium. Il est recommandé que l'une des sources est une source de pulvérisation au magnetron pour le dépôt de vanadium. Vide élevé est atteint par un pompes turbomoléculaires soutenus par une pompe de défilement sec. Le système de dépôt en phase vapeur est équipé d'une microbalance à cristal de quartz calibré (QCM) …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Research is carried out at the Center for Functional Nanomaterials, Brookhaven National Laboratory, which is supported by the U.S. Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, under Contract No. DE-SC0012704.
Materials
| Bismuth | Sigma-Aldrich | 556130 | Granular, 99.999% |
| Vanadium Slug | Alfa Aesar | 42829 | 3.175mm (0.125in) dia x 6.35mm (0.25in) length, 99.8% |
| Vanadium Sputtering Target | Kurt J. Lesker | EJTVXXX253A2 | 3.00" Dia. x 0.125" Thick, 99.5% |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 179124 | >99.5% |
| Ethanol | Alfa Aesar | 33361 | Anhydrous |
| Silicon Wafer | University Wafers | 300 microns in thickness, (100) orientation | |
| Silver Filled Epoxy | Circuit Works | CW2400 | Two part conductive epoxy resin |
| Tungsten Boat, Alumina Coated | R. D. Mathis | S9B-AO-W | For bismuth thermal evaporation |
| Tungsten Boat | R. D. Mathis | S4-.015W | For vanadium thermal evaporation |
| RIE Plasma | Nordson March | CS-1701 | |
| PVD 75 Vapor Deposition Platform | Kurt J. Lesker | PEDP75FTCLT001 | Equipped with three thermal evaporation source and one DC magnetron sputtering source |
| Thermoelectric Temperature Controller | LairdTech | MTTC-1410 | |
| PT1000 RGD | LairdTech | 340912-01 | Temperature sensor for MTTC-1410 |
| Thermoelectric Module | LairdTech | 56910-502 | |
| Ultrasonicator | Crest Ultrasonics | Tru-Sweep 175 |
Referências
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