Groei beheersen Hoge uniformiteit Indiumselenide (In2Se3) nanodraden via het snelle thermische gloeiproces bij lage temperatuur
Abstract
Hoge uniformiteit Au-gekatalyseerd indiumselenide (In2 Se3) nanodraden worden gekweekt met de snelle thermische gloeibehandeling (RTA) via het damp-vloeistof-vastestof (VLS) mechanisme. De diameters van Au-gekatalyseerde In2 Se3 nanodraden kunnen worden gecontroleerd met verschillende diktes van Au-films, en de uniformiteit van nanodraden wordt verbeterd via een snelle voorgloeisnelheid, 100 ° C / s. In vergelijking met de lagere verwarmingssnelheid, 0,1 °C/sec, worden de gemiddelde diameters en verdelingen (standaarddeviatie, SD) van In2 Se3 nanodraden met en zonder het RTA-proces zijn respectievelijk 97,14 ± 22,95 nm (23,63%) en 119,06 ± 48,75 nm (40,95%). De in situ uitgloeiende TEM wordt gebruikt om het effect van de verwarmingssnelheid op de vorming van Au-nanodeeltjes uit de als afgezette Au-film te bestuderen. De resultaten tonen aan dat de gemiddelde diameters en verdelingen van Au-nanodeeltjes met en zonder het RTA-proces respectievelijk 19,84 ± 5,96 nm (30,00%) en ongeveer 22,06 ± 9,00 nm (40,80%) zijn. Het bewijst dat de diameter, verdeling en uniformiteit van Au-gekatalyseerd In2 Se3 nanodraden worden verminderd en verbeterd via de RTA voorbehandeld. De systemische studie zou kunnen helpen om de grootteverdeling van andere nanomaterialen te beheersen door de gloeisnelheid, de temperaturen van de voorloper en het groeisubstraat af te stemmen om de grootteverdeling van andere nanomaterialen te regelen.
Snel thermisch gloeiproces (RTA) bewees dat het de grootteverdeling van Au-nanodeeltjes kan uniformeren, en vervolgens kan het worden gebruikt om de Au-gekatalyseerde In2 met hoge uniformiteit te laten groeien Se3 nanodraden via het damp-vloeistof-vaste stof (VLS) mechanisme. In vergelijking met de algemene groeiconditie is de verwarmingssnelheid laag, 0,1 °C/sec, en is de groeitemperatuur een relatief hoge groeitemperatuur,>-650 °C. Met RTA voorbehandeld groeisubstraat kan kleinere en uniforme Au-nanodeeltjes vormen om te reageren met de In2 Se3 damp en produceren de hoge uniformiteit In2 Se3 nanodraden. De in situ uitgloeiende TEM wordt gebruikt om het effect van de verwarmingssnelheid op de vorming van Au-nanodeeltjes uit de als afgezette Au-film te realiseren. Het bijproduct van zelfgekatalyseerde In2 Se3 nanoplaten kunnen worden geremd door de voorlopers en groeitemperaturen te verlagen.
Achtergrond
In het afgelopen decennium zijn eendimensionale (1D) nanostructuurbuizen, draden, staven en riemen het brandpunt geworden van het wereldwijde onderzoek in nanotechnologie vanwege hun hoge prestaties en oppervlakte-tot-volumeverhoudingen, intrinsiek geassocieerd met lage dimensionaliteit, wat kan leiden tot unieke toepassingen in de verschillende apparaten op nanoschaal [1, 2]. Met name 1D halfgeleider nanodraden (NW's), die verschillende eigenschappen vertonen in vergelijking met hun bulk of dunne film, hebben grote potentiële toepassingen laten zien in gegevensopslag, computers en detectieapparatuur [2,3,4].
Indiumselenide (In2 Se3 ) is een zwarte kristallijne en zeer interessante samengestelde halfgeleider van de A III B VI groep met gelaagde structuur, die ten minste vijf kristalmodificaties bezat van α (tweelaags hexagonaal, 2H), β (drielaags rhomboëdrisch, 3R), γ (defect wurtziet in hexagonaal, H), δ en κ [5, 6]. Vanwege het polymorfisme en de gerelateerde metaaliondefectstructuur, In2 Se3 heeft aanzienlijke aandacht getrokken als een veelbelovend halfgeleidermateriaal voor verschillende toepassingen zoals fotovoltaïsche zonnecellen [7, 8], opto-elektronica [9] en ionische batterijen [10].
De gelaagde structuur van In2 Se3 bestaat normaal gesproken uit [Se-In-Se-In-Se] vellen gestapeld met Se-atomen langs de c -as [11,12,13,14,15]. De sterke binding tussen de lagen en de zwakke Van der Waals-interactie tussen de lagen leiden tot sterk anisotrope structurele, elektrische, optische en mechanische eigenschappen [16, 17]. Laagstructuur In2 Se3 nanodraden en nanolinten zijn gesynthetiseerd door metalen nanodeeltjes als katalysator te gebruiken via het damp-vloeistof-vaste stof (VLS) proces [2, 18,19,20]. De eigenschappen van NW's hangen niet alleen af van hun vormanisotropie, maar ook van hun kristallografische anisotropie [21]. Het is aangetoond dat het damp-vloeistof-vaste groeimechanisme de diameter en groeirichting van nanodraden regelt [20,21,22,23,24]. Verschillende onderzoeksresultaten toonden aan dat de katalysator een van de belangrijkste onderdelen is om de morfologie van de nanodraden te controleren. En de kristallografische oriëntatie van een NW wordt thermodynamisch bepaald op het grensvlak tussen vloeistof en vaste stof (LS) binnen de eutectische vloeistofdruppel van een bepaalde grootte en geometrie tijdens de initiële kiemvorming [25, 26]. Ook hebben eerdere studies aangetoond dat de synthese van zeer uniforme halfgeleider-NW's kan worden bereikt door de goed gedefinieerde nanoclusters als katalysatoren in een VLS-groeiproces [25]. Het regelen van de groeitemperatuur van de druppelkatalysator van de Au-In-legering kan de segregatieconcentraties van In- en Se-atomen in de druppel van de Au-In-legering bepalen, wat vervolgens de diameter van de nanodraden beïnvloedt. Au-gekatalyseerd In2 Se3 nanodraden worden meestal gekweekt bij relatief hoge temperaturen,> -650 °C. Volgens het Au-In-fasediagram is de eutectische temperatuur ongeveer 530 °C, en het In en/of Se zal worden geprecipiteerd uit de vloeibare Au-In-legering en vervolgens reageren met Se om het In2 te laten groeien. sub> Se3 NW's [27]. In dit werk wordt snelle thermische annealing (RTA) gebruikt om de Au-filmoverdracht naar uniforme Au-nanodeeltjes te maken. Verder zijn lagere voorloper- en groeitemperatuur gekozen om de diameter van nanodraden te verkleinen en de VS-gegroeide In2 te voorkomen Se3 bijproducten. Interessant is dat de dunnere In2 Se3 NW's kunnen de diameter verkrijgen door de groeitemperatuur zo laag te houden als 550 ° C. De in situ annealing transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) wordt gebruikt om het effect van de verwarmingssnelheid op de vorming van Au-nanodeeltjes uit de als-afgezette Au-film te bestuderen.
Experimenteel
De In2 Se3 NW's werden gesynthetiseerd in een kwartsbuisovensysteem met een zone met twee temperaturen. Traditioneel is de In2 Se3 poeder (99,9%, CERAC) werd als voorloper gebruikt en vervolgens stroomopwaarts in het midden van de buis geplaatst bij 800 °C (opwarmsnelheid is 0,01 °C/sec). De SiO2 /Si(100)-substraat wordt gecoat met een 2,0 nm dikke goudfilm die stroomafwaarts werd geplaatst. De SiO2 /Si(100) gecoat met een 2,0 nm dikke goudfilm wordt uitgegloeid door RTA, bij 550 °C (opwarmsnelheid is 100 °C/s), waarna het substraat in de groeiovenbuis wordt geladen om te groeien In2 Se3 nanodraden met een stroomsnelheid van argongas bij 25 sccm en een druk van 1 Torr. De temperaturen van de In2 Se3 voorloperpoeder aan de stroomopwaartse en het Au-gecoate substraat aan de stroomafwaartse (groeizone) werden opgevoerd tot respectievelijk 800 °C (1,2 °C/s) en 550 °C (0,1 °C/sec) en gedurende 30 minuten bewaard. min. De morfologieën en microstructuur van de In2 Se3 NW's werden gekarakteriseerd met scanning-elektronenmicroscoop (SEM, JEOL JSM-6500F) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM, FEI Tecnai™ G 2 F20 Field Emission Gun) werkend bij 200 kV. De chemische samenstelling bevestigd door energiedispersieve röntgenspectrometer (EDS) is uitgerust in TEM. De fase van de In2 Se3 NWs wordt bevestigd met een röntgendiffractometer (XRD, D8 DISCOVER SSS Multi-Function High Power). In situ annealing TEM werd gebruikt om het effect van verwarming op de vorming van Au-nanodeeltjes te bestuderen. Om in situ verwarmde TEM-monsters voor te bereiden, wordt een Au-film van 2,0 nm afgezet op een vierkante opening van SiO2 /Si3 N4 dunne film. De diktes van de SiO2 en Si3 N4 film zijn respectievelijk 30 en 60 nm. De 2.0 nm Au-film wordt afgezet op de SiO2 kant en vervolgens in TEM geladen om te verwarmen met een verwarmingshouder (Gatan 652 dubbele kantelverwarmingshouder) in de TEM.
Resultaten en discussie
Afbeelding 1a is de schematische illustratie van het ovensysteem met kwartsbuis dat werd gebruikt om de In2 te laten groeien Se3 NW's Meestal is het groeivenster van Au-gekatalyseerd In2 Se3 NWs is 650–750 °C en de voorloper In2 Se3 wordt verwarmd tot 900–950 °C om de bron van In en Se te leveren via een VLS-mechanisme [19]. Het Au-In-fasediagram laat echter zien dat de eutectische temperatuur van Au-In wel 450–550 °C kan zijn, afhankelijk van de samenstelling van de AuInx legering [28, 29]. Verwacht wordt dat de diameters van NW's kunnen worden geregeld door de Au-dikte, de groeitemperatuur en de omgevingstemperatuur van de oven. In dit werk zijn de temperaturen van de groeitemperatuur en In2 Se3 voorloperpoeder zijn ingesteld op respectievelijk 550 en 800 °C. Afbeelding 1b, c zijn de SEM-afbeeldingen van de In2 Se3 NW's, gekweekt op de 2,0 nm Au-film afgezet op een 200 nm SiO2 /siliciumwafel, respectievelijk met en zonder snel thermisch gloeiproces (RTA). Het heldere nanodeeltje op de top van het NW kan worden waargenomen vanaf de inzet in Fig. 1b, c, wat aangeeft dat de In2 Se3 NW's worden gekweekt via AuInx nanodeeltjes via het VLS-mechanisme. De gemiddelde diameters van In2 Se3 NW's (50 nanodraden) met en zonder het RTA-proces zijn respectievelijk 97,14 ± 22,95 nm (23,63%) en 119,06 ± 48,75 nm (40,95%). Het gemiddelde en de verdeling van de In2 Se3 NW-diameters met en zonder het RTA-proces zijn opvallend verschillend. Het laat duidelijk zien dat het RTA-proces de uniformiteit kan verbeteren en de diameter van In2 kan verkleinen. Se3 NW's [30,31,32]. Afbeelding 1d is het XRD-resultaat van In2 Se3 NW's, en alle pieken kunnen worden geïndexeerd met de hexagonale kristalstructuur van α-In2 Se3 NW's, waarin de roosterconstanten a . zijn = 4,025 Å en c = 19.235 Å (JCPDS-kaart, nr. 34–1279).
een Illustratie van een kwartsbuisoven met twee zones. De In2 Se3 poeder werd als voorloper gebruikt en stroomopwaarts in het midden van de buis geplaatst bij 800 °C, en SiO2 /Si(100) gecoat met een 2,0 nm dikke Au-film werd stroomafwaarts geplaatst en het argongas als het dragergas. b en c zijn de SEM-afbeeldingen van In2 Se3 nanodraden die respectievelijk met en zonder het RTA-proces op het substraat werden gekweekt. d Een typisch XRD-spectrum van de Au-gekatalyseerde α-In2 Se3 NW's De roosterconstanten zijn a = 4,025 Å en c = 19.235 Å (JCPDS-kaart, nr. 34–1279)
Over het algemeen wordt het met Au-film gecoate substraat in de oven geladen, de verwarmingssnelheid is gewoonlijk 1~2 °C/sec en reageert vervolgens met de voorloper om een AuInx met laag smeltpunt te vormen. legering, en de In is gescheiden omdat de eutectische legering oververzadigd is om met Se te reageren en de In2 te laten groeien Se3 NW. De langzamere verwarmingssnelheid resulteert in een slechte uniformiteit van Au-nanodeeltjes. Niet alleen de dikte en verwarmingssnelheid van Au-film op het substraat, maar de groeitemperatuur is ook een belangrijke factor om de morfologie van nanodraden te regelen. Afbeelding 2a–c zijn de SEM-afbeeldingen van de In2 Se3 NW's werden na behandeling met RTA vervolgens gekweekt bij respectievelijk 550, 600 en 650 ° C. De overeenkomstige inzetafbeeldingen in Fig. 2a–c lieten zien dat de In2 Se3 NW-diameters waren respectievelijk 80-100, 100-200 en 300-500 nm. De resultaten laten zien dat de diameter van In2 Se3 NW's kunnen worden afgestemd door de groeitemperatuur te regelen. Aangezien de groeitemperatuur werd verhoogd, zou de In-oplosbaarheid in de Au-katalysator worden verhoogd; dat betekent dat de In-atomen meer hoeveelheden nodig hebben om de oververzadigde concentratie te bereiken. Tegelijkertijd, hoe dikker In2 Se3 NW's zullen worden gekweekt via de grotere AuInx druppels. Afbeelding 2d toont de In2 Se3 nanodraden gegroeid met de voorlopertemperatuur bij 850 ° C (1,3 ° C / s). Zowel de Au-gekatalyseerde damp-vloeistof-vaste stofgroei als de zelfgekatalyseerde damp-vaste stof (VS) groei In2 Se3 nanomaterialen, waaronder nanodraden, nanoplaten en film, zullen gelijktijdig worden verkregen. De hogere precursortemperatuur zal leiden tot de hogere precursordamp en de overmatige precursor zal leiden tot de In2 Se3 product, dat de neiging heeft zichzelf te kiemen en te groeien. In vergelijking met andere onderzoeken zou de groeitemperatuur, 550 ° C, veel lager kunnen zijn dan de algemeen gerapporteerde, 650-750 ° C. Bovendien kan de temperatuur van de voorloper worden verlaagd tot 800 ° C om zelfgekatalyseerde groei te voorkomen. Tabel 1 bevat de vergelijking van groeiende In2 Se3 nanodraadparameters, waaronder de temperatuur van het groeisubstraat (opwarmsnelheid), de gloeibehandeling van het groeisubstraat, de precursortemperatuur en de diameter van nanodraden. Door de lagere groeitemperatuur wordt het bijproduct geremd zodat uniforme In2 Se3 NW's kunnen worden verkregen bij een relatief lage temperatuur. Het geeft duidelijk aan dat de In2 Se3 NW's konden in dit werk worden gekweekt bij de laagste groeitemperatuur en precursortemperatuur. Bovendien toonden de resultaten van het RTA-proces een betere uniformiteit van de diameter voor de In2 Se3 NW's dan het conventionele systeem, omdat de diameter van gouddeeltjes beperkt was.
SEM-afbeeldingen van In2 Se3 nanodraden die werden gekweekt bij a 550 °C, b 600 °C en c respectievelijk 650 °C; de schaalbalken van de inzetafbeeldingen (a –c ) zijn 100 nm. d In2 Se3 nanodraden worden gekweekt met de voorloper en groeitemperatuur bij respectievelijk 850 en 600 °C
In situ annealing TEM wordt gebruikt om het effect van de verwarmingssnelheid op de vorming van Au-nanodeeltjes en de groei van nanodraad te bestuderen. Figuur 3a is het TEM-beeld van de as-deposit 2-nm Au-film op de SiO2 /Si3 N4 venster, uitgloeien met 0,1 °C/sec en 100 °C/sec tot 550 °C en 30 min vasthouden. Figuur 3b, c zijn de resultaten van de vorming van Au-nanodeeltjes met een verwarmingssnelheid van respectievelijk 100 °C/s en 0,1 °C/s. Volgens het in situ uitgloeiende TEM-resultaat worden de gemiddelde grootte en distributie van Au-nanodeeltjes geanalyseerd en weergegeven in tabel 2. Kort gezegd, de kleinere gemiddelde grootte en betere uniformiteit van Au-nanodeeltjes kunnen worden bereikt door de snellere verwarmingssnelheid. Afbeelding 3d is de TEM-afbeelding van een vertegenwoordiger In2 Se3 nanodraad na te zijn behandeld met RTA en vervolgens gekweekt bij 550 ° C. Het resultaat laat zien dat de typische diameter van de nanodraad ongeveer 100 nm is, en de inzet is het overeenkomstige select area elektronendiffractiepatroon (SAED). Afbeelding 3e toont het hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopiebeeld (HRTEM) van de overeenkomstige In2 Se3 NW die is genomen van de [010] zone-as met een roosterafstand van 0,35 en 0,48 nm en kan worden geïndexeerd met de d-afstand van de (100) en (004) vlakken, wat aantoont dat de In2 Se3 NW groeit langs de [001] richting. De EDS-analyses zijn genomen vanaf de top en steel; de resultaten worden getoond in Fig. 3f, g. De Cu- en C-signalen worden bijgedragen door het met koolstof beklede koperen TEM-raster. Figuur 3f, die van de stengel is genomen, bestaat alleen uit In en Se, en de atomaire verhouding van In/Se is ongeveer 2/3. Figuur 3g is het EDS-resultaat van de topsamenstellingen van nanodeeltjes, waaronder In en Au. Het extra Au-signaal bewees dat de In2 Se3 nanodraden worden gekweekt via het damp-vloeistof-vaste stof (VLS) mechanisme. Volgens de TEM-analyses, SEAD en HRTEM, kunnen de VLS-gegroeide nanodraden worden geïdentificeerd als α-fase van In2 Se3 .
een 2.0 nm Au-film bij kamertemperatuur. b De gouden film van RTA bij 550 ° C in 100 ° C / s. c De goudfilm werd opgevoerd tot 550 ° C in 0,1 ° C / s. d TEM-afbeelding van een gesynthetiseerd individu α-In2 Se3 nanodraad, met een Au-nanodeeltjestip. SAED-patroon van de α-In2 Se3 nanodraden (inzet). e De bijbehorende HRTEM-afbeelding van d laat zien dat de groeirichting van de nanodraad langs de [001] is. v en g zijn de EDS-spectra van de geselecteerde α-In2 Se3 nanodraad genomen van respectievelijk het lichaamsdeel en het tipgedeelte
Conclusies
De lagere voorloper- en groeitemperaturen van respectievelijk 800 en 550 °C zijn bedoeld om de Au-gekatalyseerde In2 te laten groeien Se3 nanodraden door het VLS-mechanisme. Verder is de uniformiteit van de In2 Se3 nanodraden kunnen worden verbeterd door RTA-behandeling om de grootte en distributie van Au-nanodeeltjes te verminderen. De in situ uitgloeiende TEM wordt gebruikt om het effect van de verwarmingssnelheid op de overdracht van Au-film naar Au-nanodeeltje te bestuderen. De lagere voorloper- en groeitemperaturen zouden de vorming van zelfgekatalyseerde In2 . kunnen verminderen Se3 nanoplaten. Lagere temperatuur zal leiden tot lagere precursorconcentratie en lage energie, en vervolgens de nucleatie van zelfgekatalyseerde In2 Se3 nanoplaten kunnen worden geremd de In2 Se3 nanoplaat bijproduct.
Nanomaterialen
- Digitale temperatuursensor met hoge nauwkeurigheid, laag vermogen
- Temperatuursensoren hebben een hoge nauwkeurigheid, een laag stroomverbruik
- IBM-wetenschappers vinden een thermometer uit voor de nanoschaal
- Materiaalwetenschappers leren nanodraden te 'dansen'
- Het pultrusieproces:productie van vezelversterkte polymeren
- Amorfe silicium nanodraden gegroeid op siliciumoxidefilm door gloeien
- Geactiveerde koolstofvezels "dik overgroeid" door Ag Nanohair door zelfassemblage en snelle thermische gloeiing
- Vervaardiging en karakterisering van ZnO-nanoclips door het door polyol gemedieerde proces
- Effect van postthermisch gloeien op de optische eigenschappen van InP/ZnS Quantum Dot Films
- Temperatuureffect op de mechanische eigenschappen van Electrospun PU-nanovezels
- De verschillen tussen materialen met hoge en lage wrijving begrijpen