Без косточек Рост Висмут Nanowire массив с помощью вакуумного термического испарения
Summary
A protocol for seedless and high yield growth of bismuth nanowire arrays through vacuum thermal evaporation technique is presented.
Abstract
Вот это техника без косточек и шаблонов бесплатно демонстрируется в масштабируемо расти висмута нанопроводов, через термического испарения в высоком вакууме при комнатной температуре. Обычно зарезервированы для изготовления металлических тонких пленок, тепловых отложений испарения висмута в массив вертикальных монокристаллических нанопроводов над плоской тонкой пленки ванадия проведенного при комнатной температуре, которая свежеосажденного магнетронным распылением или термическим испарением. Контролируя температуру субстрат длина и ширина нанопроводов могут быть настроены в широком диапазоне. Ответственный за эту технику романа ранее неизвестный механизм роста нанопроволоки, что корни в мягкой пористости ванадия тонкой пленки. Проникли в поры ванадия, висмута домены (~ 1 нм) несут избыточную энергию поверхности, которая подавляет их температуру плавления и непрерывно удаляет их из ванадия матрицы, чтобы сформировать нанопровода. Это открытие демонстрирует возможность масштабируемой паровой фазы синтезаторESIS высокой чистоты наноматериалов без использования катализаторов.
Introduction
Нанопровода ограничиться транспорт носителей заряда и других квазичастиц, например, фотонов и плазмонов в одном измерении. Соответственно, нанопроволоки обычно проявляют новые электрические, магнитные, оптические и химические свойства, которые предоставляют им почти бесконечный потенциал для применения в микро / нано электроники, фотоники, биомедицинских, экологических и энергетических технологий, связанных с. 1,2 За последние два десятилетия, многочисленные сверху вниз и снизу вверх подходы были разработаны для синтеза широкий спектр высококачественных металлических или полупроводниковых нанопроводов на лабораторном масштабе. 3-6 Несмотря на эти события, каждый подход основан на определенных уникальных свойств конечного продукта для его успеха. Например, метод популярным пар-жидкость-твердое вещество (VLS) лучше подходит для полупроводниковых материалов, имеющих более высокие температуры плавления и образуют эвтектического сплава с соответствующими каталитическими "семена". 7 В результате синтез нанопроволокиМатериал представляет особый интерес не могут быть охвачены существующими методами.
Как полуметаллом с небольшим косвенного перекрытия зон (-38 МэВ 0 К) и необычно легких носителей заряда, висмут является одним из таких примеров. Материал ведет себя радикально отличается по сниженной размерности, когда по сравнению с его навалом, а квантово может превратить висмута нанопроводов или тонких пленок в узком запрещенной зоны полупроводника. 8-12 В то же время, поверхность висмута форм квази-двумерного металла что значительно больше, чем его металлические массы. 13,14 Было показано, что поверхность висмута достигает подвижности электронов 2 × 10 4 см 2 В -1 с -1 и способствует его сильно термоэдс в виде нанопроволоки. 15, например, существуют значительные интересы по изучению висмута нанопроводов для электронных, и в частности термоэлектрических приложений. 12-16 Тем не менее, из-за висмута очень низкаяТочка плавления (544 К) и готовность к окислению, оно остается проблемой для синтеза высокого качества и одиночные нанопроводов кристаллический висмут, используя традиционные методы фазовых паровой фазы или раствора.
Ранее сообщалось, на несколько групп, которые монокристаллического висмута нанопроволоки расти низким выходом во вакуумного напыления тонких пленок висмута, которая приписывается к выпуску стресса построен в фильме. 17-20 Совсем недавно мы открыли роман метод, который основан на термическом испарении висмута в высоком вакууме и приводит к масштабируемой формирования отдельных нанопроводов кристаллического висмута с высоким выходом. 21 По сравнению с ранее известными способами, наиболее уникальной особенностью этого метода является то, что рост субстрат свеже покрытием с тонким слоем нанопористых ванадия до висмута осаждения. Во время термического испарения последнего, пар висмута проникает в структуру нанопористых фургонаAdium кино и конденсируется там нанодоменов. Так ванадия не смачивается конденсированной висмута, инфильтрованного домены впоследствии изгнан из ванадия матрицы, чтобы освободить их поверхностную энергию. Это непрерывный изгнание висмута нанодоменов, что образует вертикальные нанопровода висмута. Поскольку домены висмута только 1-2 нм диаметром, они подвержены значительному подавлению плавления, что делает их почти расплавленный при комнатной температуре. В результате рост нанопровода протекает с подложкой проведенного при комнатной температуре. С другой стороны, как миграция висмута доменов термически активирован, длина и ширина нанопроводов могут быть настроены в широком диапазоне путем простого регулирования температуры ростового субстрата. Это Подробный протокол видео предназначено, чтобы помочь новым практиков в области избежать различных общих проблем, связанных с физическим осаждением из паровой фазы тонких пленок в высоком вакууме, бескислородной среде.
Protocol
Representative Results
Discussion
Рост висмута нанопроводов должно быть проведено в физической системе осаждения из паровой фазы, по меньшей мере двух источников осаждения, по одному для висмута, а другой для ванадия. Рекомендуется, чтобы один из источников магнетрон источником распыление, для осаждения ванадия. Высок…
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
- Hu, J. T., Odom, T. W., Lieber, C. M. Chemistry and physics in one dimension: Synthesis and properties of nanowires and nanotubes. Acc. Chem. Res. 32, 435-445 (1999).
- Akimov, A. V., et al. Generation of single optical plasmons in metallic nanowires coupled to quantum dots. Nature. 450, 402-406 (2007).
- Thurn-Albrecht, T., et al. Ultrahigh-density nanowire arrays grown in self-assembled diblock copolymer templates. Science. 290, 2126-2129 (2000).
- Xia, Y. N., et al. One-dimensional nanostructures: Synthesis, characterization, and applications. Adv. Mater. 15, 353-389 (2003).
- Gudiksen, M. S., Lauhon, L. J., Wang, J., Smith, D. C., Lieber, C. M. Growth of nanowire superlattice structures for nanoscale photonics and electronics. Nature. 415, 617-620 (2002).
- Yang, P. D., et al. Controlled growth of ZnO nanowires and their optical properties. Adv. Funct. Mater. 12, 323-331 (2002).
- Allen, J. E., et al. High-resolution detection of Au catalyst atoms in Si nanowires. Nature Nanotech. 3, 168-173 (2008).
- Lin, Y. M., Sun, X. Z., Dresselhaus, M. S. Theoretical investigation of thermoelectric transport properties of cylindrical Bi nanowires. Phys. Rev. B. 62, 4610-4623 (2000).
- Isaacson, R. T., Williams, G. A. Alfvén-Wave propagation in solid-state plasmas. III. Quantum oscillations of the Fermi surface of bismuth. Phys Rev. 185, 682-688 (1969).
- Sandomirskii, V. B. Quantum size effect in a semimetal film. Sov. Phys. JETP. 25, 101-106 (1967).
- Huber, T. E., Nikolaeva, A., Gitsu, D., Konopko, L., Graf, M. J. Quantum confinement and surface-state effects in bismuth nanowires. Physica E. 37, 194-199 (2007).
- Black, M. R., Lin, Y. M., Cronin, S. B., Rabin, O., Dresselhaus, M. S. Infrared absorption in bismuth nanowires resulting from quantum confinement. Phys. Rev. B. 65, 2921-2930 (2002).
- Hofmann, P. The surfaces of bismuth: Structural and electronic properties. Prog. Surf. Sci. 81, 191-245 (2006).
- Huber, T. E., et al. Confinement effects and surface-induced charge carriers in Bi quantum wires. Appl Phys Lett. 84, 1326-1328 (2004).
- Huber, T. E., et al. Surface state band mobility and thermopower in semiconducting bismuth nanowires. Phys. Rev. B. 83, 235414-23 (2011).
- Dresselhaus, M. S., et al. . 23, 129-140 (2003).
- Cheng, Y. -. T., Weiner, A. M., Wong, C. A., Balogh, M. P., Lukitsch, M. J. Stress-induced growth of bismuth nanowires. Appl Phys Lett. 81, 3248-3250 (2002).
- Volobuev, V. V., et al. The mechanism of Bi nanowire growth from Bi/Co immiscible composite thin films. J. Nanosci. Nanotech. 12, 8624-8629 (2012).
- Shim, W., et al. On-film formation of Bi nanowires with extraordinary electron mobility. Nano Lett. 9, 18-22 (2009).
- Berglund, S. P., Rettie, A. J. E., Hoang, S., Mullins, C. B. Incorporation of Mo and W into nanostructured BiVO4 films for efficient photoelectrochemical water oxidation. Phys. Chem. Chem. Phys. 14, 7065-7075 (2012).
- Liu, M., et al. Surface-Energy Induced Formation of Single Crystalline Bismuth Nanowires over Vanadium Thin Film at Room Temperature. Nano Lett. 14, 5630-5635 (2014).
