Vervaardiging en fysische eigenschappen van enkelkristallijne Βeta-FeSi2 nanodraden

Resultaten en discussie

We hebben de parameters onderzocht die de groei van de β-ijzerdisilicide nanodraden kunnen beïnvloeden. Ten eerste werden verschillende gasstroomsnelheden onderzocht van 50 tot 200 sccm, zoals weergegeven in de SEM-afbeeldingen van Fig. 1a-c. Figuur 1a onthult de gasstroomsnelheid bij 50 sccm, waar we veel nanodraden vonden met een diameter van 40 nm en een lengte van 10  μm. Figuur 1b toont de gasstroomsnelheid bij 80 sccm, waar er enkele nanodraden waren, maar de hoeveelheid was verminderd. In Fig. 1c die de gasstroomsnelheid bij 120 sccm laat zien, waren er nog minder nanodraden gevormd. Volgens de resultaten nam de hoeveelheid nanodraden af ​​met de toename van de gasstroomsnelheden. Wanneer de nanodraden groeien, zal de voorloper, FeCl₃ , moet naar de stroomafwaartse zone van de buisoven worden gedragen en met het Si-substraat door een dragergas reageren. Bij hogere gasstroomsnelheden kan het voor de nanodraden moeilijk zijn om te groeien. Op basis van de chemische dampafzettingsmechanismen waren er in het algemeen vijf stappen in het depositieproces, namelijk (1) diffusie van reactanten naar het oppervlak, (2) absorptie van reactanten aan het oppervlak, (3) chemische reactie aan het oppervlak, ( 4) desorptie van producten vanaf het oppervlak, en (5) diffusie van producten vanaf het oppervlak. De langzaamste stap bepaalt de snelheid van de CVD-reactie. Als (1) of (5) de langzaamste stap is, wordt deze gecontroleerd door massaoverdracht. Als (2), (3) of (4) de langzaamste stap is, kan dit 'oppervlaktereactie-gecontroleerd' worden genoemd. Bij lage temperaturen en langzame gasstroomsnelheden is de chemische reactie aan het oppervlak langzamer dan diffusie van reactanten; het is dus oppervlaktereactie-gecontroleerd. Wanneer het oppervlakreactie-gecontroleerd is, zal de variatie in de filmdikte over de wafel in de kamer afhangen van de temperatuurverdeling en heeft de neiging zich te vormen tot een dunne film. Ons doel is echter om nanodraden te laten groeien; daarom moeten we oppervlaktereactie-gecontroleerde reactie vermijden. Aan de andere kant wordt de massaoverdracht geregeld bij hoge temperaturen en lage gasstroomsnelheden. Wanneer het massaoverdracht-gecontroleerd is, is de snelheid van de top verkregen reactanten sneller dan die aan de zijwand aangezien de axiale groei sneller is dan de radiale groei; als resultaat hebben nanodraden de neiging zich te vormen, en dus hebben we veel nanodraden verkregen met afnemende gasstroomsnelheden. Daarom is een massaoverdracht-gecontroleerde reactie noodzakelijk voor de groei van nanodraad.

SEM-beelden van β-FeSi₂ nanodraden bij verschillende parameters. Bij verschillende gasstroomsnelheden:a 50 sccm, b 80 sccm, en c 120 cc. Bij verschillende temperaturen:d 750 °C, e 850 °C en f 950 °C. Op verschillende tijden:g 1 u, u 2 h, en ik 5u

De tweede parameter die we onderzochten, waren verschillende groeitemperaturen zoals getoond in de SEM-afbeeldingen van Fig. 1d-f. Figuur 1d onthult de groeitemperatuur bij 750 °C, waar er enkele nanodraden waren, maar hun lengtes en diameters waren kort en klein. Figuur 1e toont de groeitemperatuur bij 850 °C, waar we veel nanodraden vonden met een diameter van 40 nm en een lengte van 10 μm. Toen we de groeitemperatuur verhoogden tot 950 °C, zoals weergegeven in figuur 1f, werden nanodraden nanostaafjes door meer afzetting van voorlopers. De derde parameter die we onderzochten was de tijdsduur; Fig. 1g–i toont de SEM-afbeeldingen voor 1 h, 2 h en 5 h. Over het algemeen vonden we langere nanodraden met de toenemende duur. Na meer dan 5 h zou de morfologie van de nanodraden niet significant veranderen, wat kan worden toegeschreven aan het feit dat de voorloper volledig was verbruikt.

Om de structuur van de nanodraden te identificeren, hebben we röntgendiffractie (XRD) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) -analyse uitgevoerd zoals weergegeven in Fig. 2. Alle pieken in het overeenkomstige XRD-spectrum konden worden geïndexeerd met de structuur van orthorhombische β- FeSi₂ fase zoals getoond in Fig. 2a. Figuur 2b is een TEM-beeld dat een enkelkristallijn β-FeSi₂ . toont nanodraad; Fig. 2c is het TEM-beeld met hoge resolutie met de inzet van het overeenkomstige snelle Fourier-transformatie (FFT) diffractiepatroon, waaruit blijkt dat de β-FeSi₂ nanodraad een orthorhombische structuur heeft met [200] groeirichting en dat de interplanaire afstanden van vlakken (200) en (111) respectievelijk 0,493 nm en 0,482 nm zijn.

een XRD-patroon voor β-FeSi₂ NW's, b een TEM-afbeelding met lage vergroting van een β-FeSi₂ NW nanodraad, en c HRTEM van een β-FeSi₂ NW. De inzet in c is het corresponderende diffractiepatroon met [011] zone-as

Het groeimechanisme in ons experiment kan twee reacties omvatten om β-FeSi₂ . te produceren nanodraden zoals weergegeven in Fig. 3. In de eerste reactie verdampt FeCl₃ werd stroomafwaarts naar de oven gedragen en reageerde met het Si-substraat om β-FeSi₂ te vormen nanodeeltjes en bijproducten van SiCl₄ met β-FeSi₂ nanodeeltjes verschijnen steeds meer. In de tweede reactie, SiCl₄ uit de eerste reactie zou ook reageren met de voorloper van verdampend FeCl₃ en vorm β-FeSi₂ en Cl₂ . Met Cl₂ uitgevoerd door Ar-gas, verkregen we geleidelijk β-FeSi₂ nanodraden van zowel de eerste als de tweede reactie. Het groeimechanisme was VS omdat we geen katalysatorachtige metaaldruppels aan de voorkant van de nanodraad hebben waargenomen. De synthese via VLS-mechanisme vereist een katalysator; er werd echter geen katalysator gebruikt in het experiment. Om het groeimechanisme verder te onderzoeken, probeerden we waterstof, dat een reductie-effect kan hebben; toch werd er geen katalytische metaaldruppel gevormd. Daarom laten we zien dat het groeimechanisme VS was.

Schematische weergave van het groeimechanisme 1 FeCl₃ (s) → FeCl₃ (G); 2 4FeCl₃ (g) + 11Si(s) → 4β-FeSi₂ + 3SiCl₄ (G); 3 2FeCl₃ (g) + 4SiCl₄ (g) → 2β-FeSi₂ + 11Cl₂

De magnetisatie van β-FeSi₂ was interessant met verschillende dimensies. Er is gevonden dat het superparamagnetisme vertoont in nanodeeltjes, hoewel er geen magnetische ordening optreedt in bulk [21], terwijl in het geval van β-FeSi₂ dunne film werd ferromagnetisme alleen gevonden bij temperaturen onder 100 K [22]. Het ferromagnetische gedrag van β-FeSi₂ nanodraden kunnen te wijten zijn aan het grote specifieke oppervlak van de nanodraad, wat leidt tot veel ongepaarde ijzeratomen op het oppervlak. Bovendien kunnen sommige spanningen en defecten die tijdens het groeiproces worden gegenereerd, een andere factor zijn die bijdraagt ​​​​aan het ferromagnetisme. Om de magnetische eigenschappen van de gegroeide β-FeSi₂ . te onderzoeken nanodraden, werden de magnetische eigenschappen gemeten met behulp van het Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) met VSM-optie.

Figuur 4a is de magnetische respons alleen van het siliciumsubstraat, dat duidelijk diamagnetisch gedrag vertoont; we hebben het magnetisme van het siliciumsubstraat afgetrokken voor al het volgende magnetisme van β-FeSi₂ nanodraden. De magnetisatiecurve van de β-FeSi₂ nanodraden groeide in 2 h zoals weergegeven in figuur 4b. De niet-lineaire hysteresisluscurve laat zien dat de β-FeSi₂ nanodraden vertoonden ferromagnetisch gedrag bij kamertemperatuur. De coërciviteit was ongeveer 264 Oe. Grotere verzadigingsmagnetisatie werd gevonden bij 2 K vanwege de afnemende thermische fluctuatie. Vanwege de verminderde coördinatie van de ijzeratomen aan het oppervlak, of de spanning en structurele defecten in het kristal, -FeSi₂ hier gekweekte nanodraden bleken ferromagnetisch te zijn [23]. Figuur 4c toont de magnetisatiecurve van de langere β-FeSi₂ nanodraden groeien in 5 h. Van kortere naar langere nanodraden nam de coërciviteit toe van 264 tot 345 Oe bij 300 K, en zelfs tot 575 Oe bij 2 K; verzadigingsmagnetisatie werd ook meer verhoogd. Er werd bevestigd dat de langere nanodraden betere magnetische eigenschappen bezaten. Temperatuurafhankelijke veldkoeling (FC) en nulveldkoeling (ZFC) magnetisatiemetingen worden getoond in Fig. 4d, waar de magnetisatiecurve niet naar nul daalde, wat aantoont dat de curietemperatuur van β-FeSi₂ NWs was hoger dan kamertemperatuur. De ZFC- en FC-curven van β-FeSi₂ NW's overlappen elkaar niet; de temperatuur van de curvescheiding wordt blokkeertemperatuur genoemd (T_b ), wat aangeeft dat er een grote magnetische anisotropie-energiebarrièreverdeling bestond [24]. Wanneer de temperatuur lager was dan T_b , de magnetische anisotropie-energie was groter dan de thermische fluctuatie. Als gevolg hiervan werden korrels geblokkeerd en niet beïnvloed door het aangelegde magnetische veld; dus werd de magnetisatie waargenomen.

een Magnetisatiemetingen van het Si-substraat. b Magnetisatiemetingen van de kortere β-FeSi₂ nanodraden bij 2 K en 300 K. c Magnetisatiemetingen van de langere β-FeSi₂ nanodraden bij 2 K en 300 K. d Temperatuurafhankelijke magnetisatie van de β-FeSi₂ nanodraden

Om de veldemissie-eigenschappen te onderzoeken, hebben we de veldemissiemetingen uitgevoerd voor de β-FeSi₂ nanodraden. Het monster werd gemeten in een vacuümkamer bij ~ 10 ^-6 tor. Figuur 5 toont de stroomdichtheid (J ) - veld (E ) plot met β-FeSi₂ nanodraden van verschillende lengtes. Volgens de Fowler-Nordheim (F-N) plot en de Fowler-Nordheim vergelijking:

De veldemissiegrafiek van β-FeSi₂ NW's met verschillende afmetingen. De inzet toont de corresponderende ln(J /E ² )-1/E plot

waar J is de stroomdichtheid, E is het aangelegde elektrische veld, en φ is de werkfunctie; de inzet onthult de ln(J /E ² )-1/E verhaallijn. De veldverbetering ß werd berekend op 1060 vanaf de helling van ln(J /E ² ) =ln(Aß ² /φ )-Bφ ^3/2 /ßE , en ß toegenomen van 1060 naar 2367 met de toenemende lengte van nanodraden, wat aantoont dat langere β-FeSi₂ NW's hadden betere veldemissie-eigenschappen dan kortere, en dat β-FeSi₂ NW's kunnen geweldige veldemissiematerialen zijn.