Amorfe silicium nanodraden gegroeid op siliciumoxidefilm door gloeien

Resultaten en discussie

Figuur 3 toont de SEM-foto's van twee monsters voor en na uitgloeien (monster I, de dikke Cu-film is 400 nm, monster II is de Cu-patroonarrays met een grootte van 400 nm en een diameter van 1,9 μm, en hart-op-hart pitch is 10 μm). Het is duidelijk dat de resultaten van de twee monsters behoorlijk verschillend waren na 30 minuten gegloeid bij 1080 ° C. Voor Cu-film, getoond in Fig. 3b, werden alleen Cu-ballen willekeurig verspreid op het oppervlak van SiO₂ . De ingevoegde figuur in figuur 3b was de diameterverdeling van Cu-ballen en de gemiddelde diameter van de bal was 4,4 m. In-suit nanodraad verscheen in monster II na uitgloeien in figuur 3d. De lengte van nanodraad kan wel 20 m zijn en de diameter van nanodraad is ongeveer 57 nm, zoals weergegeven in de ingevoegde afbeelding van figuur 3d. Het is duidelijk dat elk patroon één nanodraad is gegroeid en dat de hart-op-hart afstand gelijk is aan de waarde van Cu-patronen. Dit betekent dat de dichtheid van nanodraden eenvoudig kan worden geregeld door het aantal Cu-patronen. Het fenomeen in Fig. 3 laat zien dat de microgrootte van Cu-patronen geschikt is voor nanodraadgroei (in ons geval was de grootte van het Cu-patroon 400 nm dik en 1,9 μm diameter). Voor Cu-film gebeurde het ontvochtigingseffect bij hoge temperatuur. Om de oppervlakte-energie van Cu-film te verminderen, werden Cu-ballen op willekeurige wijze geaggregeerd (in figuur 3b).

SEM-afbeeldingen voor de twee monsters op 300 nm SiO₂ oppervlak voor en na 30 min gegloeid in Ar/H₂ atmosfeer bij een temperatuur van 1080 °C. een Voorgegloeid SEM-beeld van monster I met Cu-nanofilm (400 nm dik). b SEM-afbeeldingen van monster I met Cu-film na uitgloeien. Inzetfoto was de diameterverdeling van de Cu-deeltjes na SEM. c Voorgegloeid SEM-beeld van monster II met Cu-patronenarray (Cu-patroongrootte, 400 nm dik en 1,9 m diameter). Inzetfoto was het vergrote beeld van Cu-patronenarray. d SEM-beeld van nanodraadgroei op monster II na uitgloeien. Inzetfoto was het uitvergrote beeld van nanodraden. De schaalbalken in de inzet zijn 10 μm

Het hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beeld in figuur 4a laat zien dat de nanodraad een gladde morfologie heeft met een diameter van 50 nm in monster II. Het zeer diffuse ringpatroon (inzet) van de geselecteerde gebiedselektronendiffractie (SAED) toont aan dat de nanodraad totaal amorf was (in figuur 4). De resultaten van de energiedispersieve spectrometer (EDS) in Fig. 4 geven aan dat de draad bestaat uit Si en O met een atomaire verhouding van 4, wat ver verwijderd is van de verhouding van Si-dioxide en suggereert dat er een sporenhoeveelheid zuurstof in de SiNW's bestaat. Voor reductieatmosfeer die was samengesteld uit Ar en H₂ blijft behouden tijdens het groeiproces van nanodraden, dus de lichtoxidatie vond alleen plaats tijdens blootstelling van het monster aan lucht na fabricage.

TEM-beelden van nanodraden. een TEM-afbeelding van het uiteinde van nanodraad. Inzetfoto's waren respectievelijk de geselecteerde gebiedselektronendiffractie (SAED) van nanodraad en het EDS-spectrum. Het SAED-patroon werd verkregen uit het midden van de draad (witte cirkel ) in Fig. 4, en de opening voor SAED was 200 nm. b TEM-afbeelding van nanodraad. De ingevoegde afbeelding was de gedetailleerde foto van nanodraad in Fig. 4b

Na FIB-etsen van het wortelgedeelte van de draad en het substraat, werd de dwarsdoorsnede van de draadwortel gekarakteriseerd door SEM met de monsterhouder 45° gedraaid. Het is interessant om te ontdekken dat de nanodraad die is gegroeid vanaf de grens tussen Si en SiO₂ in Fig. 5. Een lange Si-opening wordt ook gevonden bij de Si /SiO₂ koppel. Die waarnemingen tonen aan dat het substraat de enige Si-bron voor de draad was. Ondertussen wordt er geen metaaldeeltje gevonden aan het uiteinde van de draad. Volgens die resultaten wordt een mogelijke schematische illustratie van α-SiNW-groei gepresenteerd in Fig. 6 op basis van een vast-vloeibaar-vast mechanisme. Tijdens het gloeiproces ontvochtigen Cu-patronen (Fig. 6a) tot het midden van het patroon (Fig. 6b) en reageren met SiO₂ om Cu-silicide te vormen (Fig. 6c). Vervolgens dringen Si-atomen het Cu-silicide binnen. Tijdens dit proces kan de verschillende diffusiesnelheid van Si-atomen in het substraat, veroorzaakt door het defect van het substraat, de vorming van Si-spleet veroorzaken. Wanneer de oplossende Si-atomen in silicide verzadiging bereikten, begint Si te precipiteren om α-SiNW's te synthetiseren (Fig. 6d).

SEM-afbeeldingen van α-SiNW-wortel. een , b De SEM-afbeeldingen van het α-SiNW-wortelgedeelte bij een kanteling van 45 ° na FIB-etsen. Een lange Si-opening wordt gevonden bij de Si /SiO₂ interface in (b )

Schematische weergave van de groei van α-SiNW. Tijdens het gloeiproces worden Cu-patronen (a ) dewetten tot het midden van het patroon (b ), en reageren met SiO₂ om Cu-silicide te vormen (c ). Vervolgens dringen Si-atomen het Cu-silicide binnen. Tijdens dit proces kan de verschillende diffusiesnelheid van Si-atomen in het substraat, veroorzaakt door het defect van het substraat, de vorming van Si-spleet veroorzaken. Wanneer de oplossende Si-atomen in silicide verzadiging bereikten, begint Si neer te slaan om α-SiNW's te synthetiseren (d )

Het is duidelijk dat Cu een zeer belangrijke rol heeft gespeeld in onze studie. Aan het uiteinde van de draad is zoiets als een zwart deeltje te vinden, hoewel in de meeste draden dit deeltje niet bestaat. De mappingresultaten (Fig. 7) laten zien dat er geen metaaldeeltje bestaat aan de punt van de draad. Het deeltje lijkt op het misverstand door de hoek tussen de draad en de houder, die niet geschikt was om waar te nemen. Aan het wortelgedeelte van de draad is helaas geen koper te vinden (Fig. 5). Cu gediffundeerd in Si-substraten is de mogelijke manier die aanleiding kan geven tot dit verrassende resultaat. Het is bekend dat snelle diffusie van Cu-atomen in Si werd getest bij hoge temperatuur [26]. Dus, Cu-atomen zouden in een paar minuten na het venster in SiO₂ in Si-substraat kunnen diffunderen op hoge temperatuur is geopend.

TEM- en EDS-afbeeldingen van het tipgedeelte van de nanodraad. een toont het TEM-beeld van het uiteinde van de draad dat lijkt op een metaaldeeltje, b –d locatie van de verschillende elementen geïllustreerd door EDS-mapping met heldere contrastvariatie:koper (b ), silicium (c ), en zuurstof (d )

Om de controleerbaarheid van onze methode aan te tonen, wordt in onze experimenten verschillende gloeitijd uitgevoerd. De SEM van nanodraden gesynthetiseerd in verschillende gloeitijden met dezelfde Cu-patroongrootte (400 nm dik en 1,9 um diameter) en dezelfde SiO₂ dikte (300 nm) wordt getoond in Fig. 8. De meeste nanodraden hebben een uniforme diameter. Het is interessant om te zien dat de diameter afnam wanneer de richting van de draad veranderde. Zoals de rode pijl laat zien in Fig. 8c, is de diameter van het puntgedeelte 76 nm en het wortelgedeelte slechts 49 nm. Dit enorme verschil in diameter in dezelfde draad kan worden veroorzaakt door de variatie van de energie per oppervlakte-eenheid voor de kern [27]. En dit fenomeen is zelden te zien. Een andere interessante bevinding is dat de diameter van het wortelgedeelte het grootste deel van de hele draad was en het puntgedeelte kleiner (rode pijlen weergegeven in d-f). In vergelijking met de hele draad is de lengte van het niet-uniforme deel erg kort. Dit resultaat geeft aan dat a-SiNW een nuniforme diameter had.

een –f De SEM-beelden van α-SiNW's gegroeid in verschillende gloeitijden

Na SEM worden de lengte en diameter van het wortelgedeelte van α-SiNW's berekend. De resultaten in Fig. 9 laten zien dat de lengte van a-SiNW toenam met de uitgloeitijd, als functie van de uitgloeitijd. De diffusietijd van Si-atomen wordt verlengd en biedt meer atomen voor de synthese van nanodraad. De lengte van α-SiNW neemt toe tot 24 m, terwijl de gloeitijd tot 30 minuten toenam. De gemiddelde groeisnelheid van nanodraad is ongeveer 1,1 μm / min, wat vergelijkbaar was met de groeisnelheid door gloeien met blok Si-bron [28]. Door de snelle groei hebben Si-atomen geen tijd om zichzelf in kristallijne volgorde te stapelen. Ten slotte worden amorfe nanodraden in plaats van kristallijne gesynthetiseerd.

De diameter en lengte van de nanodraad als functie van de gloeitijd. Blauwe driehoekjes en rode cirkels in figuur zijn de datum voor lengte en diameter van nanodraad in experiment, en blauw en rode lijnen in figuur waren de passende lijn volgens de experimentdata

De diameter van α-SiNW wordt verkleind van 81 tot 57 nm in het gloeitijdverhogend proces. Gewoonlijk hangt de lengte van SiNW af van hun diameter voor Gibbs-Thomson-effect bij groei van damp-vloeistof-vaste stof met silaan als gasvormige bron en goud als katalysator. De lengte van SiNW neemt toe wanneer de diameter toeneemt voor nanodraden met een diameter van minder dan 100 nm. Desalniettemin toont het resultaat in ons experiment de omgekeerde conclusie dat de diameter afnam met de lengte. Langdurig uitgloeien geeft meer tijd voor Cu-atomen die in Si-substraat zijn gediffundeerd, en het volume van de silicidekatalysator wordt ook verminderd. Ondertussen wordt het diffusieproces van Si-atomen voortgezet, waardoor de groei van α-SiNW de hele tijd met katalysatordeeltjesgrootte verandert. Daarom neemt de diameter van α-SiNW af met de gloeitijd.

Afbeelding 10 toont de huidige (I ) versus spanning (V ) pascurve met bijna ohms gedrag. I–V meting toont de soortelijke weerstand bij kamertemperatuur; de nanodraad in Fig. 3 is 2.15 × 10 ³ Ω·cm, gemeten met de methode met twee sondes. In vergelijking met het werk van M. Lieber [29], is de soortelijke weerstand van α-SiNW in dit werk tien keer hoger dan de monokristallijne siliciumdraden zonder doping. De aanzienlijk hogere elektrische geleidbaarheid van de nanodraden is waarschijnlijk te wijten aan het grootte-effect.

De elektrische transportmeting van α-SiNW in Fig. 3. Een apparaat met twee terminals werd gebruikt om de soortelijke weerstand van nanodraad te meten [25]. De draad werd mechanisch van het substraat verwijderd door een nano-operator uitgerust met een gefocusseerde ionenstraal (FIB) (FEI, QUANTA3D 600FIB-systeem). Vervolgens werd nanodraad op de twee elektroden gelast door Pt afgezet met een geassisteerde elektronenstraal. De soortelijke weerstand van de nanodraad werd gemeten door Cascade Semi-automatisch sondestation HP 4156. Ten slotte is de soortelijke weerstand bij kamertemperatuur van de nanodraad in Fig. 3 2,15 × 10 ³ Ω·cm, gemeten met de methode met twee sondes