Tek sıra halinde çinko oksit yapıları çubuklar şeklinde önceden yatırılan katalizör-tohum parçacıklar kullanmadan aerosol destekli kimyasal Buhar biriktirme sentezlenmiş. Bu yöntem ölçeklenebilir ve silikon, kuvars veya polimerler dayanarak çeşitli yüzeyler ile uyumlu değildir.
Tek sıra halinde çinko oksit (ZnO) yapıları çubuklar veya tel şeklinde daha önce farklı sıvı veya buharı aşama yolları tarafından sentez iken, onların yüksek üretim ve/veya kullanımı nedeniyle microfabrication teknolojileri ile uyumsuzluk mal önceden yatırılan katalizör-tohum ve/veya yüksek işleme civarında 900 ° C, bu yöntemler yaygın bir kullanımı için bir dezavantajı temsil eder. Burada, ancak, ZnO çubuklar ile Çinko Klorür (ZnCl2) ile 400 ° C’de bir aerosol destekli kimyasal Buhar biriktirme (CVD) yöntemini kullanarak etkin bir sigara katalize buharı gibi sağlam mekanizması sentezi olarak etanol ve habercisi olarak raporu taşıyıcı solvent. Bu yöntem tek adım oluşumu ZnO çubuklar ve silikon, silikon bazlı micromachined platformlar, kuvars veya yüksek ısıya dayanıklı polimerler dahil olmak üzere çeşitli alt türleri ile doğrudan kendi entegrasyon imkanı sağlar. Bu potansiyel olarak büyük ölçekli, cihaz üretimi için state-of–art microfabrication işlemleri ile uyumluluk nedeniyle, bu yöntem kullanımını kolaylaştırır. Bu rapor Ayrıca bu yapılar (örneğin, Morfoloji, kristal faz, optik grup boşluk, kimyasal bileşimi, elektriksel direnç) özelliklerini açıklar ve işlevselliği karbon monoksit doğru algılama, gaz doğrular.
ZnO olduğunu bir II – VI yarı iletken bir doğrudan geniş bant boşluk (3.37 eV), büyük exciton bağlama enerji (60 meV), spontan polarizasyon ve elektroniği, Optoelektronik, enerji jeneratörleri, için çekici bir malzeme yapmak piezoelektrik sabitler photocatalysis ve kimyasal algılama. En ilginç işlevleri ZnO, wurtzite kristal yapısını ve onun kutupsal olmayan (örneğin, {100}, {110}) için ilgilidir ve Kutup (örneğin, {001}, {111}) yüzeyler ilişkili belirli yapısal morfolojik formları (Örneğin , çubuklar, piramitler, levha). Morfolojik bu formları kontrolünü sentetik yöntemleri üniforma büyüklük, şekil ve yüzey yapısı1,2,3,4ile iyi tanımlanmış kristalleri üretebilen gerektirir. Bu bağlamda, imalât stratejileri, özellikle buharı fazlı yollara dayalı yeni katkı maddesi (aşağıdan yukarıya sentezi) vardır, endüstriyel çekici ve oluşturma yeteneği sağladıkları gibi potansiyel olarak avantajlı bir sürekli filmlerde oldukça yapılandırılmış toplu iş moduyla yüksek saflıkta ve yüksek throughputs. Bu yolları ZnO oluşumu yapılandırılmış filmleri daha önce ama genellikle katalizör-tohum altın gibi istihdam ve/veya yüksek sıcaklık 900-1300 ° C2 işleme göstermiştir {Wang, 2008 #491} (Bu bazı rahatsız edici olabilir chip entegrasyon için fazladan işlem adımları ve/veya sıcaklık uyumsuzlukları ihtiyaç nedeniyle uydurma işler).
Son zamanlarda, metal oksit yapıları (örneğin, tungsten oksit5veya kalay oksit6), seçmeli birikimi olmadan elde etmek için aerosol destekli CVD inorganik veya organik metal öncüleri, üzerinde dayalı bir buharı fazlı yöntemi kullandık katalizör-tohum ve daha düşük sıcaklıklarda ihtiyacı için geleneksel CVD bildirdi. Bu yöntem atmosfer basıncı çalışır ve geleneksel CVD için; kıyasla daha az uçucu öncüleri kullanabilirsiniz Çözünürlük anahtar habercisi gereksinimi olduğu öncü çözüm bir aerosol formu7tepki bölgesinde teslim edilir. Aerosol destekli CVD yapılandırılmış malzeme ve ince filmler çekirdekleşme ve büyüme Kinetik etkiledi sentez sıcaklık ve konsantrasyon hangi sırayla film8morfolojik şeklinde etkisi reaktif, tarafından. Son zamanlarda, biz ZnO Morfoloji bağımlılık (öncüleri, sıcaklıklar, taşıyıcı solvent ve öncü konsantrasyonları dahil) çeşitli aerosol destekli CVD koşullarına okudu ve yapılandırılmış ZnO ile çubuklar-oluşumu için yolları bulundu, Pul- veya baş aşağı koni gibi türleri Morfoloji, diğerleri arasında9.
Burada, tek sıra halinde ZnO yapılarının çoğunda {100} yüzeyler tarafından oluşan çubuklar şeklinde aerosol destekli CVD için protokol tanıtacağız. Bu iletişim kuralı silikon, silikon bazlı micromachined platformlar, kuvars veya yüksek ısıya dayanıklı polimid Folyolar da dahil olmak üzere çeşitli yüzeyler ile uyumludur. Bu raporda, çıplak silikon gofret ve gaz sensörler imalatı için istihdam micromachined Silikon tabanlı platformlar kaplama odaklanmak. Aerosol destekli ZnO CVD içeren üç işleme adımdan oluşur: yüzeylerde ve set-up ifade sıcaklık, aerosol üretimi ve CVD işlemi için çözüm hazırlama hazırlanması. Bu adımlar aşağıda ayrıntılı ve sistem ana unsurları şekil 1‘. görüntülenen gösterilen bir şematik açıklanmaktadır
Aerosol destekli CVD yordamı burada silikon fayans 10 mm x 10 mm üzerinde ZnO çubuklar oluşumu için yol ayrıntılı. Bu yordam ölçekli-up kat daha büyük yüzeyler için olabilir; Ancak, reaksiyon hücre hacminde bir artış taşıyıcı akış hızı ve çözüm hacmi gibi parametreleri bir düzelme gerektirecektir dikkat edin. Daha büyük tepki hücreler için Ayrıca sıcaklık gradyanlar içinde belgili tanımlık substrate, daha az 10 ° muhtemelen elde edilen morfolojisi filmin üzerinde güçlü bir etkisi için daha önce gösterildiği gibi sahip c ince geçişlerini nedeniyle kontrol etmek için tavsiye edilir Aerosol destekli CVD tungsten oksit8. Rapor sonuçları çoğaltmak burada, biz iletişim kuralında, aerosol ortalama damlacık boyutu açıklanan daha benzer çalışma frekansı ile ultrasonik bir atomizer kullanılmasını tavsiye ve sırayla film elde edilen morfolojisi etkiledi tarafından Bu parametre7.
Diğer ZnO türleri Morfoloji, tercihan–dan çubuklar, seçici birikimi de habercisi, ifade sıcaklıklarda veya taşıyıcı solvent değiştirerek elde edilebilir. Örneğin, Dietil14 çinko veya asetat15 çinko gibi öncüleri kullanımı diğer morfolojik formları altıgen çubuklar yerine oluşumuna yol kanıtlamıştır. Biz de aerosol destekli CVD sırasında farklı ifade sıcaklıkları kullanımı filmleri, Morfoloji değişimler üretir polikristalin filmleri 400 ° C’den düşük sıcaklıklarda kalın altıgen yapıları itibariyle de oluşumu için izin fark civarında 400 ° C veya bozulmuş ve daha az yoğun yapıları üzerinde yüzey ne zaman 600 ° C’ye ulaşan Benzer şekilde, farklı çözücüler kullanımı filmlerin morfolojisi etkiler ve örneğin, son zamanlarda metanol 400 ° c ifade sıcaklığında kullanımı ile pul gibi Morfoloji, yapıların oluşumu teşvik eder ise kanıtladık aseton aynı sıcaklıkta kullanımı ters koni benzeri yapıları9oluşumu teşvik eder.
Sıcaklık ve taşıyıcı solvent rolü de daha önce diğer metal oksitleri yapıları (örneğin, tungsten oksit5 ve kalay oksit6) aerosol destekli CVD üzerinde fark edildi ve genellikle atfedilen: kimyasal etkileri ifade için etkin tür haline veya homojen (Bu daha büyük olasılıkla metanol ve düşük sıcaklıklarda çürüten aseton gibi solventler için işleme sıcaklıklarda katı parçacıklar oluşturmak için tepki reaktif ara ürün, neden Örneğin, < 500 ° C); ve modülasyon oranları ifade (flux) ve damlacık buharlaşma (etanol gibi solventler için baskın, hangi sıcaklıklarda bizim deneylerde kullanılan reaktif radikal türler oluşturmaz daha büyük olasılıkla budur).
Rapor burada protokol state-of–art microfabrication işlemleri için silikon tabanlı elektronik cihazlar ile uyumludur ve nispeten düşük nedeniyle yüksek ısıya dayanıklı esnek malzemeler içeren işlemleri dahil potansiyeline sahiptir sıcaklıklar yapıların aerosol destekli CVD için. Ancak, gölge kullanımı yapıları, seçici büyümesi için maskeler üzerinde buhar-sıvı-katı mekanizması16numaralı seribaşı yöntemleri dayalı gibi söz etmek önemlidir, belirli üretim süreçlerinde kısıtlamaları olabilir. Öte yandan, burada sunulan sigara katalize yöntemi ile yapıları büyümek için olasılık daha az tekniğinde avantajı olabilir ve metallization yapıları için chip entegrasyon bastı. Ayrıca, ZnO çubuklar sentezi için göreceli düşük sıcaklıklarda da izin verebilir, yerelleştirilmiş ısıtmanın, bu yöntemin kullanılması için bir teknik istihdam gerekli termal çevre buharı-faz Reaktanlarının her iki ayrışma için sınırlamak için ve büyüme Kinetik yapıları önemli ölçüde yüksek sıcaklık (sıcak-duvar) reaktörler17güç tüketimini azaltarak bir microscale bölgesine. Yerelleştirilmiş Isıtma, kullanımı Örneğin, daha önce sigara katalize aerosol destekli CVD tungsten oksit çubuklar18için uygun gösterilmiştir. Kimyasal algılama, photocatalysis, fotonik ve enerji gibi alanlarda ortak ilgi onların kolay entegrasyon farklı substrat ve microfabrication işlemleri için izin, sütunlu ZnO yapıları ile kontrollü morfolojisi, büyüme olduğunu , diğerleri arasında hasat.
The authors have nothing to disclose.
Bu eser kısmen İspanyolca Bakanlığı bilim ve yenilik yoluyla Grant TEC2015-74329-JIN-(AEI/FEDER,EU), TEC2016-79898-C6-1-R (AEI/FEDER, EU) ve TEC-2013-48147-C6-6R (AEI/FEDER, EU) tarafından desteklenmiştir. SV SoMoPro II programının, co-financed Avrupa Birliği ve Grant 4SGA8678 üzerinden Güney Moravian Region tarafından destek kabul eder. JČ YAPSA, Proje No. sağlanan finansman kabul eder LQ1601 (CEITEC 2020). Bu araştırmanın bir parçası yaptı altı Araştırma Merkezi, CEITEC CEITEC-açık access Projesi yoluyla Grant Milli Eğitim Bakanlığı, gençlik ve spor Çek Cumhuriyeti ve İspanyolca ICTS tarafından finanse edilen LM2011020 altında çekirdek tesislerin altyapıları kullanın Ağ MICRONANOFABS kısmen MINECO tarafından destekleniyor.
ZnCl2 99,999 % trace metal basis | Sigma-Aldrich | 229997 | used as purchased from manufacturer |
Ethanol ≥96% | Penta | 71430 | used as purchased from manufacturer |
Reaction cell | home-made | stainless steel cylindrical reaction cell (7000 mm3, diameter: 30 mm, height: 10 mm) with integrated heaters to reach the temperature of deposition and provided with a PID controller | |
Ultrasonic liquid atomizer | Johnson Matthey | Operating frequency ∼1,6 MHz | |
Flowmeter | To have a better control of this step the use of a mass flow controller is recommended. | ||
Nitrogen | Linde Gas A.S. | ||
Silicon wafers | MicroChemicals | <100>, p-type, 525 µm thick, cut into pieces (10 mm × 10 mm ) | |
Glass vial – 100 ml | 29/32 joint, 200 mm lenght | ||
Vacuum trap | 29/32 joint, 5 mm hose barbs | ||
Graduated cylinder – 10 ml | |||
Universal support | |||
Balance | |||
Scanning Electron Microscopy (SEM) | Tescan | Mira II LMU | |
X-ray diffraction (XRD) | Rigaku | Smart Lab 3kW | Cu Kα radiation |
X-ray Photoelectron spectroscopy (XPS) | Kratos | AXIS Supra | Monochromatic Kα radiatio, 300 W emission power, magnetic lens, and charge compensation |
Transmission Electron Microscopy (TEM) | Jeol | JEM 2100F | operated at 200kV using Schottky cathode and equiped with EDX |