|
1.1.1 Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
Среди большого разнообразия методов выращивания наноструктур ZnO,
химическое осаждение из паровой фазы (CVD) является одним из наиболее
изученных. Весь процесс можно разделить на пять этапов. Первый и второй этапы
касаются диффузии реагентов к подложке и адсорбции на поверхности. Третий -
поверхностные химические реакции, приводящие к осаждению твердого
материала. И четвертый этап, заключающийся в десорбции с поверхности
газообразных побочных продуктов и отвод их транспортным потоком.
Термически активный CVD является одним из наиболее распространенных
способов получения большого разнообразия различных наноструктур ZnO [15-17].
Паровую фазу получают испарением конденсированных или же порошкообразных
исходных материалов при повышенных температурах. Далее из паровой фазы при
термическом
химическом
разложении
образуется
продукт,
который
конденсируется на субстрате. Процесс обычно проводят в горизонтальной
трубчатой печи, как правило, из кварца или оксида алюминия. Инертный газ
используется в качестве носителя для реакционноспособных частиц, поступающих
из исходных материалов.
16
Морфологию конечного продукта контролируют несколькими способами,
варьируя температуру, давление, расход газа, время испарения. Исходную
температуру выбирают с учётом летучести исходного материала, при этом
значение температуры обычно немного ниже температуры плавления.
Активный CVD метод, проводимый при атмосферном давлении, позволяет
достигать более высокой скорости осаждения, в то время, как материалы,
выращенные LPCVD методом (
Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD))
,
т.е. в CVD-процессе при давлении ниже атмосферного. характеризуются лучшей
однородностью и чистотой. На рисунке 1.1 показаны наностержни (НС) ZnO
выращенные на подложках двумя способами APCVD (
Atmospheric Pressure
chemical vapor deposition)
в CVD-процессе при атмосферном давлении и LPCVD-
методом.
Рисунок 1.1. – Изображения наностержней ZnO, выращенных термически активным APCVD (a)
вдали от источника Zn; (b) вблизи источника Zn; (c) выращенных LPCVD методом[18]
Как видно из рис. 1.1, при использовании метода APCVD, наностержни растут
с различной морфологией и однородностью в зависимости от расстояния до
17
источника Zn (Рисунок 1.1 (
а
), (
b
)). В случае LPCVD, наблюдается хороший охват
и однородность выращенных НС на протяжении всей поверхности. (Рисунок 1.1
(
с
)) [18].
Наноструктуры оксида цинка могут быть выращены термически
активированным CVD с использованием либо ZnO, либо металлического Zn-
источника с добавлением кислорода. Использование различных соотношений и
смесей порошков Zn и ZnO в присутствии кислорода при разных температурах
роста изменяет морфологию и позволяет образовывать различные наноструктуры.
Для выращивания наностержней ZnO также используют различные катализаторы.
В качестве такого катализатора может выступать золото, как в виде сплошного
слоя, так и наночастицы. Использование катализатора позволяет получать хорошо
ориентированные наностержни оксида цинка, также это позволяет контролировать
их размер и однородность.
Рисунок 1.2. – Поперечное сечение и XRD-спектр наностержней ZnO, выращенных термически
активированным APCVD.
Такие зародышевые слои могут быть получены различными способами.
Наиболее перспективными являются слои, полученные методом распыления, золь-
гель технологией или химическим методом. В дальнейшем будет более подробно
рассмотрено влияние зародышевого слоя на формирование наностержней оксида
цинка. На рисунке 1.2 представлены изображений FESEM и рентгеновских
18
спектров наностержней ZnO, выращенных термически активированным CVD на
затравочных слоях, полученных золь-гель методом.
Для понимания преимущества метода синтеза одного над другим, необходимо
непосредственное сравнение таких методов. Так, в статье [19] авторы представили
результаты сравнения двух методов синтеза, таких как CVD и гидротермальный
синтез (гидротермальный синтез будет подробно рассмотрен далее). В обоих
случаях использовался один и тот же предслой, полученный из ацетата цинка.
Несмотря на принципиально различные процессы роста, результаты получились
схожими, с небольшими отличиями (таблица 1.1). В обоих случаях выращенные
наностержни имели преимущественное направление роста {0001} и имели
сопоставимые по качеству кристаллические структуры. Отличие же заключалось в
плотности создаваемых массивов наностержней ZnO и формы острия. Наиболее
плотными и однородными являлись слои, выращенные гидротермальным методом.
Что касается формы острия, то полученные наностержни методом CVD имели
плоские гексагональные вершины, а полученные гидротермальным методом –
заостренные. Стоит отметить, что подобный возможный недостаток легко
обходиться благодаря небольшим изменениям соотношений используемы
прекурсоров и различным pH [20, 21].
Таблица 1.1. Результаты сравнения методов синтеза наностержней ZnO
Метод
Время,
мин
Подложка
T, C
L, мкм
D, нм
L/D
CVD
10
Si
650
0.8
35
22.9
FTO
1.8
65
27.7
20
Si
3
82
37.5
FTO
4
100
40
Гидротермальный
120
Si
88
2
45
44.4
FTO
1.8
35
51.4
240
Si
2.5
52
48.1
FTO
2
40
50
19
Учитывая
подобные
результаты,
стоит
отдать
преимущество
гидротермальному методу синтеза, как методу роста наностержней оксида цинка,
который является более дешевым (как в плане оборудования, так и используемых
прекурсоров) и проводиться при низких температурах, что позволяет использовать
его при синтезе на органических подложках [22-24].
Do'stlaringiz bilan baham: |
