Manufaturação industrial
Internet das coisas industrial | Materiais industriais | Manutenção e reparo de equipamentos | Programação industrial |
home  MfgRobots >> Manufaturação industrial >  >> Industrial materials >> Nanomateriais

Controlando o crescimento de seleneto de índio de alta uniformidade (In2Se3) Nanofios por meio do processo de recozimento térmico rápido em baixa temperatura

Resumo


Seleneto de índio catalisado por Au de alta uniformidade (In 2 Se 3) nanofios são cultivados com o tratamento de recozimento térmico rápido (RTA) por meio do mecanismo de vapor-líquido-sólido (VLS). Os diâmetros de catalisado por Au em 2 Se 3 os nanofios podem ser controlados com espessuras variadas de filmes de Au, e a uniformidade dos nanofios é melhorada por meio de uma taxa de pré-recozimento rápida, 100 ° C / s. Comparando com a taxa de aquecimento mais lenta, 0,1 ° C / s, os diâmetros e distribuições médias (desvio padrão, SD) de In 2 Se 3 nanofios com e sem o processo RTA são 97,14 ± 22,95 nm (23,63%) e 119,06 ± 48,75 nm (40,95%), respectivamente. O TEM de recozimento in situ é usado para estudar o efeito da taxa de aquecimento na formação de nanopartículas de Au a partir do filme de Au depositado. Os resultados demonstram que os diâmetros e distribuições médias das nanopartículas de Au com e sem o processo RTA são 19,84 ± 5,96 nm (30,00%) e cerca de 22,06 ± 9,00 nm (40,80%), respectivamente. Isso prova que o tamanho do diâmetro, distribuição e uniformidade do catalisador Au em 2 Se 3 os nanofios são reduzidos e melhorados por meio do RTA pré-tratado. O estudo sistêmico pode ajudar a controlar a distribuição de tamanho de outros nanomateriais por meio do ajuste da taxa de recozimento, temperaturas do precursor e substrato de crescimento para controlar a distribuição de tamanho de outros nanomateriais.

O processo de recozimento térmico rápido (RTA) provou que pode uniformizar a distribuição de tamanho das nanopartículas de Au e, em seguida, pode ser usado para aumentar a alta uniformidade catalisada por Au em 2 Se 3 nanofios através do mecanismo de vapor-líquido-sólido (VLS). Em comparação com a condição geral de crescimento, a taxa de aquecimento é lenta, 0,1 ° C / s, e a temperatura de crescimento é uma temperatura de crescimento relativamente alta,> 650 ° C. O substrato de crescimento pré-tratado com RTA pode formar nanopartículas de Au menores e uniformes para reagir com o In 2 Se 3 vaporizar e produzir a alta uniformidade em 2 Se 3 nanofios. O TEM de recozimento in situ é usado para perceber o efeito da taxa de aquecimento na formação de nanopartículas de Au a partir do filme de Au depositado. O subproduto da autocatalisação em 2 Se 3 as nanoplacas podem ser inibidas diminuindo os precursores e as temperaturas de crescimento.

Histórico


Na última década, tubos, fios, hastes e cintas nanoestruturadas unidimensionais (1D) se tornaram o ponto focal da pesquisa mundial em nanotecnologia devido ao seu alto desempenho e proporções superfície-volume, intrinsecamente associados à baixa dimensionalidade, o que pode levar a aplicações exclusivas em vários dispositivos em nanoescala [1, 2]. Em particular, nanofios semicondutores 1D (NWs), exibindo propriedades diferentes em comparação com sua massa ou filme fino, têm mostrado grandes aplicações potenciais em armazenamento de dados, computação e dispositivos de detecção [2,3,4].

Seleneto de índio (em 2 Se 3 ) é um semicondutor composto cristalino preto muito interessante do A III B VI grupo com estrutura em camadas, que possuía pelo menos cinco modificações de cristal de α (hexagonal de duas camadas, 2H), β (romboédrico de três camadas, 3R), γ (wurtzita de defeito em hexagonal, H), δ e κ [5, 6]. Devido ao seu polimorfismo e à estrutura de defeitos de íons metálicos relacionados, In 2 Se 3 tem atraído atenção substancial como um material semicondutor promissor para várias aplicações diferentes, como célula solar fotovoltaica [7, 8], optoeletrônica [9] e bateria iônica [10].

A estrutura em camadas de In 2 Se 3 normalmente consiste em folhas [Se-In-Se-In-Se] empilhadas com átomos de Se ao longo do c -eixo [11,12,13,14,15]. A forte ligação intralamada e a fraca interação de Van der Waals entre camadas levam a propriedades estruturais, elétricas, ópticas e mecânicas altamente anisotrópicas [16, 17]. Estrutura da camada em 2 Se 3 nanofios e nanofitas foram sintetizados usando nanopartículas de metal como o catalisador através do processo vapor-líquido-sólido (VLS) [2, 18,19,20]. As propriedades dos NWs dependem não apenas de sua anisotropia de forma, mas também de sua anisotropia cristalográfica [21]. O mecanismo de crescimento vapor-líquido-sólido demonstrou controlar o diâmetro e a direção do crescimento dos nanofios [20,21,22,23,24]. Vários resultados de pesquisas demonstraram que o catalisador é parte importante no controle da morfologia dos nanofios. E a orientação cristalográfica de um NW é termodinamicamente determinada na interface líquido-sólido (LS) dentro da gota de líquido eutético de um dado tamanho e geometria durante a nucleação inicial [25, 26]. Além disso, estudos anteriores mostraram que a síntese de NWs semicondutores altamente uniformes pode ser alcançada através do uso de nanoclusters bem definidos como catalisadores em um processo de crescimento VLS [25]. Controlar a temperatura de crescimento do catalisador de gotículas de liga de Au-In pode determinar as concentrações de segregação de átomos de In e Se na gotícula de liga de Au-In, que então afeta o diâmetro dos nanofios. No entanto, catalisado por Au em 2 Se 3 os nanofios geralmente crescem a uma temperatura relativamente alta,> 650 ° C. De acordo com o diagrama de fase Au-In, a temperatura eutética é de cerca de 530 ° C, e o In e / ou Se será precipitado da liga líquida Au-In, então reagido com Se para crescer o In 2 Se 3 NWs [27]. Neste trabalho, o recozimento térmico rápido (RTA) é usado para fazer a transferência do filme de Au para nanopartículas de Au uniformes. Além disso, o precursor e a temperatura de crescimento mais baixos são escolhidos para reduzir o diâmetro dos nanofios e evitar o crescimento de VS em 2 Se 3 subprodutos. Curiosamente, o mais fino em 2 Se 3 Os NWs podem obter o diâmetro controlando a temperatura de crescimento tão baixa quanto 550 ° C. A microscopia eletrônica de transmissão de recozimento in situ (TEM) é usada para estudar o efeito da taxa de aquecimento na formação de nanopartículas de Au a partir do filme de Au depositado.

Experimental


O In 2 Se 3 Os NWs foram sintetizados em um sistema de forno de tubo de quartzo com zona de duas temperaturas. Tradicionalmente, o In 2 Se 3 pó (99,9%, CERAC) foi usado como um precursor e depois colocado a montante no meio do tubo a 800 ° C (a taxa de aquecimento é de 0,01 ° C / s). O SiO 2 / Si (100) substrato é revestido com um filme de ouro de 2,0 nm de espessura que foi colocado a jusante. O SiO 2 / Si (100) revestido com um filme de ouro de 2,0 nm de espessura é recozido por RTA, a 550 ° C (a taxa de aquecimento é 100 ° C / s), então o substrato é carregado no tubo do forno de crescimento para crescer em 2 Se 3 nanofios com uma taxa de fluxo de gás argônio a 25 sccm e pressão de 1 Torr. As temperaturas do In 2 Se 3 o pó precursor a montante e o substrato revestido com Au a jusante (zona de crescimento) foram aumentados até 800 ° C (1,2 ° C / s) e 550 ° C (0,1 ° C / s), respectivamente, e mantidos por 30 min. As morfologias e microestrutura do In 2 Se 3 Os NWs foram caracterizados por microscópio eletrônico de varredura (SEM, JEOL JSM-6500F) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM, FEI Tecnai ™ G 2 F20 Field Emission Gun) operando a 200 kV. A composição química confirmada por espectrômetro de energia dispersiva de raios-X (EDS) é equipado com TEM. A fase do In 2 Se 3 NWs é confirmado com um difratômetro de raios-X (XRD, D8 DISCOVER SSS Multi-Function High Power). O recozimento in situ TEM foi usado para estudar o efeito do aquecimento na formação de nanopartículas de Au. Para preparar amostras de TEM de aquecimento in situ, um filme de Au de 2,0 nm é depositado em uma abertura quadrada de SiO 2 / Si 3 N 4 filme fino. A espessura do SiO 2 e Si 3 N 4 filme são 30 e 60 nm, respectivamente. O filme de Au de 2,0 nm é depositado no SiO 2 lado, depois carregado no TEM para aquecer com um suporte de aquecimento (suporte de aquecimento de inclinação dupla Gatan 652) no TEM.

Resultados e discussão


A Figura 1a é a ilustração esquemática do sistema de forno de tubo de quartzo que foi usado para cultivar o In 2 Se 3 NWs. Normalmente, a janela de crescimento de catalisado por Au em 2 Se 3 NWs é 650-750 ° C e o precursor em 2 Se 3 é aquecido a 900–950 ° C para fornecer a fonte de In e Se por meio de um mecanismo VLS [19]. No entanto, o diagrama de fase do Au-In mostra que a temperatura eutética do Au-In pode ser tão baixa quanto 450–550 ° C, dependendo da composição do AuIn x liga [28, 29]. Espera-se que os diâmetros de NWs possam ser controlados pela espessura do Au, temperatura de crescimento e ambiente do forno. Neste trabalho, as temperaturas da temperatura de crescimento e em 2 Se 3 pó precursor são fixados em 550 e 800 ° C, respectivamente. A Figura 1b, c são as imagens SEM do In 2 Se 3 NWs, cultivado no filme de Au de 2,0 nm depositado em um SiO 2 de 200 nm / wafer de silício, com e sem processo de recozimento térmico rápido (RTA), respectivamente. A nanopartícula brilhante no topo do NW pode ser observada a partir da inserção na Fig. 1b, c, o que indica que o In 2 Se 3 NWs são cultivados através de AuIn x nanopartículas através do mecanismo VLS. Os diâmetros médios de In 2 Se 3 NWs (50 nanofios) com e sem o processo RTA são 97,14 ± 22,95 nm (23,63%) e 119,06 ± 48,75 nm (40,95%), respectivamente. A média e distribuição do In 2 Se 3 Os diâmetros NW com e sem o processo RTA são visivelmente diferentes. Isso mostra claramente que o processo RTA pode melhorar a uniformidade e pode reduzir o diâmetro de In 2 Se 3 NWs [30,31,32]. A Figura 1d é o resultado de XRD de In 2 Se 3 NWs, e todos os picos podem ser indexados à estrutura de cristal hexagonal de α-In 2 Se 3 NWs, em que as constantes de rede são a =4.025 Å e c =19,235 Å (cartão JCPDS, nº 34–1279).

a Ilustração de uma fornalha de tubo de quartzo de duas zonas. O In 2 Se 3 pó foi usado como um precursor e colocado a montante no meio do tubo a 800 ° C, e SiO 2 / Si (100) revestido com um filme de Au de 2,0 nm de espessura foi colocado a jusante e o gás argônio como o gás transportador. b e c são as imagens SEM de In 2 Se 3 nanofios que foram cultivados no substrato com e sem o processo RTA, respectivamente. d Um espectro de XRD típico do α-In 2 catalisado por Au 2 Se 3 NWs. As constantes de rede são a =4.025 Å e c =19,235 Å (cartão JCPDS, nº 34–1279)

Geralmente, o substrato revestido com filme Au é carregado no forno, a taxa de aquecimento geralmente é de 1 ~ 2 ° C / s, então reage com o precursor para formar um baixo ponto de fusão AuIn x liga, e o In é segregado como a liga eutética é supersaturada para reagir com Se e crescer o In 2 Se 3 NO. A taxa de aquecimento mais lenta resulta em baixa uniformidade de nanopartículas de Au. Não apenas a espessura e a taxa de aquecimento do filme de Au no substrato, mas a temperatura de crescimento também é um fator importante para controlar a morfologia dos nanofios. A Figura 2a-c são as imagens SEM do In 2 Se 3 NWs após serem tratados com RTA e então cultivados a 550, 600 e 650 ° C, respectivamente. As imagens inseridas correspondentes na Fig. 2a-c mostraram que o In 2 Se 3 Os diâmetros NW foram 80–100, 100–200 e 300–500 nm, respectivamente. Os resultados mostram que o diâmetro de In 2 Se 3 Os NWs podem ser ajustados controlando a temperatura de crescimento. Uma vez que a temperatura de crescimento foi elevada, a solubilidade de In no catalisador Au seria aumentada; isso significa que os átomos de In precisam de mais quantidades para atingir a concentração supersaturada. Ao mesmo tempo, o mais espesso em 2 Se 3 NWs crescerão através do maior AuIn x gotas. A Figura 2d mostra o In 2 Se 3 nanofios crescidos com a temperatura do precursor em 850 ° C (1,3 ° C / s). Tanto do crescimento vapor-líquido-sólido catalisado por Au quanto do crescimento vapor-sólido autocatalisado (VS) em 2 Se 3 nanomateriais, incluindo nanofios, nanoplacas e filme, serão obtidos simultaneamente. A temperatura mais alta do precursor levará ao vapor do precursor mais alto, e o precursor excessivo levará ao In 2 Se 3 produto, que tende a se auto-nuclear e crescer. Em comparação com outros estudos, a temperatura de crescimento, 550 ° C, pode ser muito mais baixa do que a geral relatada, 650–750 ° C. Além disso, a temperatura do precursor pode ser reduzida para 800 ° C para evitar o crescimento autocatalisado. A Tabela 1 lista a comparação de crescimento em 2 Se 3 parâmetros de nanofios, incluindo temperatura do substrato de crescimento (taxa de aquecimento), tratamento de recozimento do substrato de crescimento, temperatura do precursor e diâmetro dos nanofios. Devido à temperatura de crescimento mais baixa, o subproduto é inibido de modo que uniforme em 2 Se 3 Os NWs podem ser obtidos a uma temperatura relativamente baixa. Mostra claramente que o In 2 Se 3 Os NWs podem ser cultivados na temperatura de crescimento mais baixa e na temperatura do precursor neste trabalho. Além disso, os resultados do processo RTA mostraram melhor uniformidade de diâmetro para o In 2 Se 3 NWs do que o sistema convencional, uma vez que o diâmetro das partículas de ouro eram confinados.

Imagens SEM de In 2 Se 3 nanofios que foram cultivados em a 550 ° C, b 600 ° C e c 650 ° C, respectivamente; as barras de escala das imagens inseridas ( a - c ) são 100 nm. d Em 2 Se 3 os nanofios são cultivados com o precursor e a temperatura de crescimento de 850 e 600 ° C, respectivamente

O recozimento in situ TEM é usado para estudar o efeito da taxa de aquecimento na formação de nanopartículas de Au e no crescimento de nanofios. A Figura 3a é a imagem TEM do filme de Au de 2 nm depositado no SiO 2 / Si 3 N 4 janela, recozimento com 0,1 ° C / se 100 ° C / s a ​​550 ° C e mantendo por 30 min. A Figura 3b, c são os resultados da formação de nanopartículas de Au com a taxa de aquecimento de 100 ° C / se 0,1 ° C / s, respectivamente. De acordo com o resultado do TEMP de recozimento in situ, o tamanho médio e a distribuição das nanopartículas de Au são analisados ​​e listados na Tabela 2. Resumidamente, o tamanho médio menor e a melhor uniformidade das nanopartículas de Au podem ser alcançados por meio da taxa de aquecimento mais rápida. A Figura 3d é a imagem TEM de um representante em 2 Se 3 nanofio após ser tratado com RTA e depois cultivado a 550 ° C. O resultado mostra que o diâmetro típico do nanofio é de cerca de 100 nm, e a inserção é o padrão de difração de elétrons de área selecionada (SAED) correspondente. A Figura 3e mostra a imagem de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) do In 2 correspondente Se 3 NW que foi tirado do eixo da zona [010] que tem espaçamento de rede de 0,35 e 0,48 nm e pode ser indexado ao espaçamento d dos planos (100) e (004), o que demonstra que o In 2 Se 3 NW está crescendo ao longo da direção [001]. As análises EDS são tiradas do topo e da haste; os resultados são mostrados na Fig. 3f, g. Os sinais de Cu e C são fornecidos pela grade TEM de cobre revestida com carbono. A Figura 3f, tirada do caule, é composta apenas por In e Se, e a razão atômica de In / Se é de aproximadamente 2/3. A Figura 3g é o resultado de EDS das composições de nanopartículas superiores, incluindo In e Au. O sinal Au adicional provou que o In 2 Se 3 nanofios são cultivados por meio do mecanismo de vapor-líquido-sólido (VLS). De acordo com as análises TEM, SEAD e HRTEM, os nanofios cultivados em VLS podem ser identificados como fase α de In 2 Se 3 .

a Filme de Au de 2,0 nm à temperatura ambiente. b O filme de ouro por RTA a 550 ° C em 100 ° C / s. c O filme de ouro foi aumentado até 550 ° C em 0,1 ° C / s. d Imagem TEM de um α-In individual sintetizado 2 Se 3 nanofio, com uma ponta de nanopartícula de Au. Padrão SAED do α-In 2 Se 3 nanofios (inserção). e A imagem HRTEM correspondente de d mostra que a direção de crescimento do nanofio é ao longo do [001]. f e g são os espectros EDS do α-In 2 selecionado Se 3 nanofio retirado da parte do corpo e da parte da ponta, respectivamente

Conclusões


As temperaturas mais baixas do precursor e de crescimento de 800 e 550 ° C, respectivamente, são fornecidas para crescer o catalisador de Au em 2 Se 3 nanofios pelo mecanismo VLS. Além disso, a uniformidade do In 2 Se 3 os nanofios podem ser melhorados pelo tratamento RTA para reduzir o tamanho e a distribuição das nanopartículas de Au. O TEM de recozimento in situ é usado para estudar o efeito da taxa de aquecimento na transferência do filme de Au para nanopartículas de Au. As temperaturas mais baixas do precursor e do crescimento podem reduzir a formação de células autocatalisadas em 2 Se 3 nanoplacas. Temperatura mais baixa levará a menor concentração de precursor e baixa energia, e então a nucleação de autocatalisado em 2 Se 3 nanoplacas podem ser inibidas em 2 Se 3 subproduto da nanoplaca.

Nanomateriais

  1. Sensor de temperatura digital apresenta alta precisão, baixo consumo de energia
  2. Sensores de temperatura apresentam alta precisão, baixo consumo de energia
  3. Cientistas da IBM inventam um termômetro para nanoescala
  4. Cientistas de materiais ensinam nanofios a 'dançar'
  5. O Processo de Pultrusão:Fabricação de Polímeros Reforçados com Fibra
  6. Nanofios de silício amorfo cultivados em filme de óxido de silício por recozimento
  7. Fibras de carbono ativado “Thickly Overgrown” por Ag Nanohair por meio de automontagem e recozimento térmico rápido
  8. Fabricação e caracterização de Nano-Clips de ZnO pelo processo mediado por poliol
  9. Efeito do recozimento pós-térmico nas propriedades ópticas de InP / ZnS Quantum Dot Films
  10. Entendendo as diferenças entre materiais de alta e baixa fricção