Crescimento sem sementes de bismuto Nanowire matriz via vácuo evaporação térmica
Summary
A protocol for seedless and high yield growth of bismuth nanowire arrays through vacuum thermal evaporation technique is presented.
Abstract
Aqui uma técnica sem sementes e sem modelo é demonstrado escalavelmente crescer nanofios de bismuto, por meio de evaporação térmica em alto vácuo à temperatura ambiente. Convencionalmente reservados para a fabricação de filmes finos de metal, depósitos de evaporação térmica de bismuto em uma matriz de nanofios verticais único cristalinos sobre uma película fina plana de vanádio realizada na RT, que é preparado na depositado por pulverização catódica magnetrão ou evaporação térmica. Ao controlar a temperatura do substrato de crescimento do comprimento e largura dos nanofios pode ser ajustado ao longo de um amplo intervalo. Responsável por esta nova técnica é um mecanismo de crescimento nanofio anteriormente desconhecido que as raízes na porosidade leve da película fina de vanádio. Infiltrados nos poros de vanádio, os domínios de bismuto (~ 1 nm) carregam energia excessiva superfície que suprime seu ponto de fusão e continuamente expulsa-los para fora da matriz de vanádio para formar nanofios. Esta descoberta demonstra a viabilidade de vapor escalável fase synthesis de alta pureza nanomateriais sem usar catalisadores.
Introduction
Nanofios de limitar o transporte de portadores de carga e outros quasiparticles, tais como fótons e plasmons em uma dimensão. Assim, nanofios geralmente exibem novas propriedades elétricas, magnéticas, ópticas e químicas, que lhes concedem potencial quase infinita para aplicações em fotônica, eletrônica, tecnologias biomédicas, ambientais e relacionados com a energia micro / nano. 1,2 Durante as duas últimas décadas, numerosos top-down e bottom-up abordagens têm sido desenvolvidos para síntese de uma ampla gama de metais ou semicondutores nanofios de alta qualidade em escala de laboratório 3-6. Apesar destes desenvolvimentos, cada abordagem depende de determinadas propriedades únicas do produto final para o seu sucesso. Por exemplo, o método popular de vapor-líquido-sólido (VLS) é melhor ajuste para os materiais semicondutores que têm pontos de fusão mais elevados e formam liga eutéctica com correspondente "sementes" catalíticos. 7 Como resultado, a síntese de um nanofioo material de interesse particular não pode ser coberta por técnicas existentes.
Como um semimetal com pequena sobreposição indireta band (-38 meV a 0 K) e portadores de carga invulgarmente luz, bismuto é um exemplo. O material se comporta radicalmente diferente em dimensão reduzida quando comparada ao seu volume, como confinamento quântico poderia transformar nanofios de bismuto ou filmes finos em um semicondutor lacuna de banda estreita. 8-12 Nesse meio tempo, a superfície de formas de bismuto um metal quase-bidimensional que é significativamente mais do que a sua massa metálica. 13,14 Mostrou-se que a superfície de bismuto alcança uma mobilidade dos electrões de 2 x 10 4 cm 2 seg -1 -1 V e contribui fortemente para a sua termoeléctrica em forma nanofio. 15 Como tal, existem interesses significativos no estudo de nanofios de bismuto para eletrônica e em determinadas aplicações termelétricas. 12-16 No entanto, devido ao bismuto de muito baixoponto de fusão (544 K) e prontidão para a oxidação, continua a ser um desafio para a síntese de alta qualidade e nanofios de bismuto cristalino únicos usando fase de vapor ou de soluções técnicas de fase tradicionais.
Anteriormente, foi relatado por alguns grupos que único cristalinas nanofios de bismuto crescer em baixo rendimento durante a deposição em vácuo de película fina de bismuto, o que é atribuído à libertação de tensão embutido na película. 17-20 Recentemente, descobrimos um novo técnica que é baseada na evaporação térmica de bismuto sob alto vácuo e conduz à formação escalável de nanofios individuais bismuto cristalino de alto rendimento. 21 Comparando a previamente relatada métodos, a principal característica desta técnica é que o substrato de crescimento é recentemente revestidas com uma fina camada de nanoporoso vanádio antes da deposição de bismuto. Durante a evaporação térmica deste último, o vapor de bismuto infiltra-se na estrutura nanoporoso do furgãoadium filme e condensa lá como nanodomínios. Desde vanádio não seja humedecido por bismuto condensado, os domínios infiltradas são posteriormente expulsos a partir da matriz de vanádio para liberar sua energia de superfície. É a expulsão contínua dos nanodomínios bismuto que formam os nanofios de bismuto verticais. Uma vez que os domínios de bismuto são apenas 1-2 nm de diâmetro, que estão sujeitas a supressão do ponto de fusão significativa, o que os torna quase fundida à TA. Como resultado, o crescimento nanofios prossegue com o substrato realizada à temperatura ambiente. Por outro lado, como o da migração dos domínios de bismuto é activado termicamente, o comprimento e a largura dos nanofios pode ser sintonizado através de uma vasta gama por simplesmente controlar a temperatura do substrato de crescimento. Este protocolo de vídeo detalhado destina-se a ajudar os novos profissionais da área evitar vários problemas comuns associados com a deposição de vapor física de filmes finos em um ambiente livre de oxigênio alto vácuo.
Protocol
Representative Results
Discussion
O crescimento de nanofios de bismuto é para ser conduzida num sistema de deposição física de vapor com pelo menos duas fontes de deposição, um para outro e bismuto para vanádio. Recomenda-se que uma das fontes é uma fonte de pulverização catódica, para a deposição de vanádio. Alto vácuo é conseguido por um bombas turbomoleculares apoiados por uma bomba de deslocamento seco. O sistema de deposição de vapor está equipada com uma microbalança de cristal de quartzo calibrado (QCM) para monitorização <e…
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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