|
1.2.1 Влияние зародышевого слоя на морфологию наноструктур оксида
цинка
Одним из важных параметров, влияющих на наноструктуры оксида цинка при
синтезе в рамках ориентированного роста, является создание зародышевого слоя.
Так, в зависимости от использованных зародышевых слоев возможно получать не
только различные морфологии, но и управлять свойствами синтезированных
наноструктур оксида цинка. Для синтеза зародышевых слоев используются
различные методы: распыление электронным пучком, импульсная лазерная
абляция, магнетронное распыление, золь-гель синтез др. [35-39].
Так авторами [40] была показа возможность формирования использования
ацетата цинка для получения
с
-ориентированных зародышевых слоев,
позволяющих
получать
наностержни
оксида
цинка
преимущественно
ориентированные по нормали к поверхности подложки (рисунок 1.9).
30
Рисунок 1.9. Газофазный рост наностержней ZnO на неэпитаксиальных подложках. a)
наностержни ZnO выращенные на поверхности кремния (100) с зародышевым слоем из ацетата
цинка; b) наностержни ZnO выращенные на поверхности кремния (100) с золотыми каплями в
качестве катализатора. Барная шкала – 1мкм.
Механизм разложения ацетата цинка до оксида, был рассмотрен авторами [41],
где посредством дифференциального термического и термогравиметрического
анализа были установлены этапы его разложения. Так, они установили, что при
температуре 100 °С происходит удаление кристаллогидратной воды, при
достижении 250-330 °С происходит разложение безводного ацетата до
тетраоксоацетата, который в последствии при температурах 300-330 °С разлагается
до ZnO.
𝑍𝑛𝑂(𝐶𝐻
3
𝐶𝑂𝑂)
2
∗ 𝐻
2
𝑂 → 𝑍𝑛𝑂(𝐶𝐻
3
𝐶𝑂𝑂)
2
+ 𝐻
2
𝑂
4𝑍𝑛𝑂(𝐶𝐻
3
𝐶𝑂𝑂)
2
→ 𝑍𝑛
4
𝑂(𝐶𝐻
3
𝐶𝑂𝑂)
6
+ (𝐶𝐻
3
𝐶𝑂)
2
𝑂
𝑍𝑛
4
𝑂(𝐶𝐻
3
𝐶𝑂𝑂)
6
→ 4𝑍𝑛𝑂 + 3𝐶𝐻
3
𝐶𝑂𝐶𝐻
3
+ 3𝐶𝑂
2
Последующие исследования кристаллической структуры таких зародышевых
слоев, отожженных при температуре 350 °С показали, что преимущественно
наблюдаются пики, соответствующие фазе оксида цинка с кристаллографической
ориентацией {0001}.
31
Рисунок 1.10. Микрофотографии образца, полученного на подложке с предварительно
нанесенным слоем зародышей: вид сверху (а), вид сбоку (б); дифрактограмма наностержней,
синтезированных из пара на подложке с затравками (в); спектры фотолюминесценции
наностержней ZnO: образец, полученный на подложке с предварительно нанесенными
зародышами (г) и полученный на подложке без предварительного нанесения зародышей (д).
Также же, авторами была предложена схема локального роста наностержней
ZnO посредством маски из фоторезиста. Особенностью, предложенной авторами
схемы, является этап удаления фоторезиста на стадии формирования
зародышевого слоя, а именно после этапа нанесения раствора ацетата цинка на
сформированную маску из фоторезаста. Как сообщают авторы, данную
особенность необходимо соблюдать для предотвращения полимеризации маски.
32
Рисунок 1.11. Морфология локально выращенных массивов наностержней оксида цинка.
Для установления оптимальных концентраций зародышевых слоев,
полученных из ацетата цинка, авторами [42] были проведены эксперименты с
различными концентрациями ацетата цинка, выступающего в качестве
зародышевого слоя.
Так, было установлено, что увеличение концентрации ацетата цинка в
зародышевом растворе приводит к увеличению диаметра наностержней. При
использовании 0,02 М раствора были получены стержни с диаметром ≈ 40 нм, в то
время как при 0,09 М диаметр составлял ≈ 90 нм.
Кроме указанного влияния зародышевых слоев на рост наностержней ZnO, в
работе [43] было указано влияние зародышевого слоя на направленность роста
наностержней относительно нормали к подложке. Использовании зародышевых
слоев с различной морфологией, таких как сферические частицы или ограненных
приводит либо к созданию упорядоченных вертикально выравненных массивов
наностержней, либо к разупорядочным (рисунок 1.12). Зародышевые слои в данной
работе были получены двумя методами: спрей-пиролизом и магнетронным
распылением.
Рисунок 1.12. Рост наностержней оксида цинка на зародышевых слоях с различно морфологией.
33
Несмотря на то, что в большинстве случаев, использование различных
зародышевых слоев позволяет управлять лишь некоторыми параметрами
выращиваемых наностержней оксида цинка (такими как диаметр, плотность,
ориентированность), авторами работы [44] показали возможность создания за счет
использования в качестве зародышевых слоев наночастиц золота получение
наноструктур ZnO с морфологией тетраподов. Стоит отметить, что использование
таких нанотетраподов в различных композиционных структурах позволяет
получать антиэлектростатические и антибактериальные материалы [45].
При этом, образование терапода связывается с формой исходного
кристаллического зародыша. При зародыше в виде тетраидра зарождение и
эпитаксиальный рост стержней приводит к получению тетраподов.
Наночастицы золота были сформированы на подложках посредством
термического отжига при температуре 1000 °С тонкой пленки золота, после чего,
образовывались наночастицы с размерами ≈ 20 нм (рисунок 1.13).
а
б
Рисунок 1.13. Растровая микроскопия: а) наночастиц золота сформированной термическим
отжигом на кремниевой подложке, б) наностержни оксида цинка выращенные на золотых
наночастицах
В дальнейшем, на таких сформированных зародышевых слоях, методом CVD,
были синтезированы наноструктуры оксида цинка с морфологией тетраподов.
Контроль размеров и формы подобных структур осуществлялся изменением
концентрации цинка (различные зоны реактора).
Учитывая пьезоэлектрические свойства нанокристаллических стержней
оксида цинка, было бы интересно для создания наноактюаторов разработать
34
элементы синтеза наночастиц с другой конфигурацией, особенно в виде
гексаподов.
Следует отметить, что кроме методов химического осаждения из паровой
фазы, зародышевый слой принципиально можно создавать методами золь-гель
технологии. Причем в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» имеется хорошо апробированный способ
создания нанокомпозитов с использованием в качестве одного из прекурсоров
тетроэтоксисилана для обеспечения хорошей адгезии с подложкой и совместимым
с созданием распределенных по поверхности центров зародышеобразования. По
нашему мнению, этот способ может быть использован для развития дешевого и
эффективного метода формирования структур, состоящих из ограненных
наностержней.
Do'stlaringiz bilan baham: |
