Recocido térmico rápido permite crecimiento uniforme nanohilos In₂Se₃ a bajas temperaturas

Resumen

Nanohilos de seleniuro de indio (In₂Se₃) catalizados por Au de alta uniformidad se crecen con tratamiento recocido térmico rápido (RTA) vía mecanismo vapor-líquido-sólido (VLS). Los diámetros de nanohilos In₂Se₃ catalizados por Au pueden controlarse con espesores variables de películas Au, y la uniformidad de nanohilos mejora via tasa pre-recocido rápida, 100 °C/s. Comparando con tasa calentamiento más lenta, 0,1 °C/s, los diámetros promedio y distribuciones (desviación estándar, SD) de nanohilos In₂Se₃ con y sin proceso RTA son 97,14 ± 22,95 nm (23,63 %) y 119,06 ± 48,75 nm (40,95 %), respectivamente. La TEM de recocido in situ se usa para estudiar efecto tasa calentamiento en formación nanopartículas Au desde película Au depositada. Resultados demuestran que diámetros promedio y distribuciones nanopartículas Au con y sin proceso RTA son 19,84 ± 5,96 nm (30,00 %) y ~22,06 ± 9,00 nm (40,80 %), respectivamente. Prueba que tamaño diámetro, distribución y uniformidad nanohilos In₂Se₃ catalizados Au se reducen y mejoran via RTA pre-tratado. Estudio sistémico podría ayudar controlar distribución tamaño otros nanomateriales ajustando tasa recocido, temperaturas precursor y sustrato crecimiento para controlar distribución tamaño otros nanomateriales.

Introducción

Última década, nanoestructuras unidimensionales (1D) tubos, hilos, varillas y cintas se convirtieron foco investigación mundial nanotecnología debido alto rendimiento y ratios superficie-volumen, intrínsecamente asociados baja dimensionalidad, que puede llevar aplicaciones únicas varios dispositivos nanoescala. En particular, nanohilos (NW) semiconductores 1D, exhibiendo propiedades diferentes comparados bulk o película fina, mostraron gran potencial aplicaciones almacenamiento datos, computación y dispositivos sensado.

Seleniuro indio (In₂Se₃) compuesto semiconductor negro cristalino muy interesante grupo A^IIIB^VI con estructura estratificada, posee al menos cinco modificaciones cristalinas α (hexagonal dos capas, 2H), β (romboédrico tres capas, 3R), γ (wurtzita defectuosa hexagonal, H), δ y κ. Debido su polimorfismo y estructura defecto ión metal relacionado, In₂Se₃ atrajo atención sustancial como material semiconductor prometedor varias aplicaciones diferentes como celda solar fotovoltaica, optoelectrónica y batería iónica.

Estructura estratificada In₂Se₃ normalmente consistiendo láminas [Se-In-Se-In-Se] apiladas con átomos Se a lo largo eje c. Fuerte enlace intracapa e interacción Van der Waals intercapas débil llevan propiedades estructurales, eléctricas, ópticas y mecánicas altamente anisotrópicas. Nanohilos y nanocintas In₂Se₃ estructura capa sintetizados usando nanopartículas metal catalizador vía proceso vapor-líquido-sólido (VLS). Propiedades NW dependen no solo anisotropía forma sino también anisotropía cristalográfica. Mecanismo crecimiento vapor-líquido-sólido demostrado controlar diámetro y dirección crecimiento nanohilos. Varios resultados investigación demostraron catalizador una parte importante controlar morfología nanohilos. Orientación cristalográfica NW determinada termodinámicamente interfaz líquido-sólido (LS) dentro gota eutéctica dada tamaño y geometría durante nucleación inicial. Estudios previos mostraron síntesis NW semiconductores altamente uniformes lograda usando nanoclusters bien definidos catalizadores proceso crecimiento VLS. Controlar temperatura crecimiento gota catalizador Au-In aleación determinar concentraciones segregación átomos In y Se en gota Au-In que afecta diámetro nanohilos. Sin embargo, nanohilos In₂Se₃ catalizados Au usualmente crecen temperatura relativamente alta, > 650 °C. Según diagrama fase Au-In, temperatura eutéctica ~530 °C, y In y/o Se precipitarán aleación líquida Au-In, luego reaccionarán Se crecer NW In₂Se₃. En este trabajo, recocido térmico rápido (RTA) usado hacer película Au transferir nanopartículas Au uniformes. Además, temperaturas precursor y crecimiento más bajas elegidas reducir diámetro nanohilos y prevenir subproductos In₂Se₃ crecidos VS. Interesantemente, NW In₂Se₃ más delgados pueden obtener diámetro controlando temperatura crecimiento tan baja 550 °C. TEM recocido in situ usado estudiar efecto tasa calentamiento formación nanopartículas Au desde película Au depositada.

Experimental

NW In₂Se₃ sintetizados sistema horno tubo cuarzo dos zonas temperatura. Tradicionalmente, polvo In₂Se₃ (99,9 %, CERAC) usado precursor colocado aguas arriba medio tubo 800 °C (tasa calentamiento 0,01 °C/s). Sustrato SiO₂/Si(100) recubierto película oro 2,0 nm espesor colocado aguas abajo. Sustrato SiO₂/Si(100) recubierto película oro 2,0 nm recocido RTA a 550 °C (tasa calentamiento 100 °C/s), luego sustrato cargado tubo horno crecimiento crecer NW In₂Se₃ flujo gas argón 25 sccm presión 1 Torr. Temperaturas polvo precursor In₂Se₃ aguas arriba y sustrato Au-recubierto aguas abajo (zona crecimiento) rampados 800 °C (1,2 °C/s) y 550 °C (0,1 °C/s) respectivamente, mantenidos 30 min. Morfologías microestructura NW In₂Se₃ caracterizadas microscopio electrónico barrido (SEM, JEOL JSM-6500F) y microscopía electrónica transmisión (TEM, FEI Tecnai G² F20 Field Emission Gun) operando 200 kV. Composición química confirmada espectrómetro dispersivo energía rayos X (EDS) equipado TEM. Fase NW In₂Se₃ confirmada difractómetro rayos X (XRD, D8 DISCOVER SSS Multi-Function High Power). TEM recocido in situ usado estudiar efecto tasa calentamiento formación nanopartículas Au. Preparar muestras TEM recocido in situ, película 2,0 nm Au depositada abertura cuadrada película fina SiO₂/Si₃N₄. Espesores SiO₂ y Si₃N₄ 30 y 60 nm respectivamente. Película 2,0 nm Au depositada lado SiO₂, luego cargada TEM calentar porta-calentamiento (Gatan 652 double tilt heating holder) en TEM.

Resultados y Discusión

Figura 1a ilustración esquemática sistema horno tubo cuarzo dos zonas usado crecer NW In₂Se₃. Típicamente, ventana crecimiento NW In₂Se₃ catalizados Au 650-750 °C y precursor In₂Se₃ calentado 900-950 °C proveer fuente In y Se vía mecanismo VLS. Sin embargo, diagrama fase Au-In muestra temperatura eutéctica Au-In podría tan baja 450-550 °C dependiendo composición aleación AuIn_x. Se espera diámetros NW controlados espesor Au, temperatura crecimiento y ambiente horno. En este trabajo, temperaturas crecimiento y precursor In₂Se₃ establecidas 550 y 800 °C respectivamente. Figura 1b, c imágenes SEM NW In₂Se₃ crecidos sustrato película 2,0 nm Au depositada 200 nm SiO₂/silicio, con y sin proceso RTA respectivamente. Nanopartícula brillante tope NW observable inset Fig. 1b, c, indicando NW In₂Se₃ crecen a través nanopartículas AuIn_x vía mecanismo VLS. Diámetros promedio NW In₂Se₃ (50 nanohilos) con y sin proceso RTA son 97,14 ± 22,95 nm (23,63 %) y 119,06 ± 48,75 nm (40,95 %) respectivamente. Promedio y distribución diámetros NW In₂Se₃ con y sin proceso RTA conspicuamente diferentes. Claramente exhibe proceso RTA mejora uniformidad y puede reducir diámetro NW In₂Se₃. Figura 1d resultado XRD NW In₂Se₃, todos picos indexados estructura cristalina hexagonal α-In₂Se₃ NW, constantes red a = 4,025 Å y c = 19,235 Å (JCPDS card, no# 34-1279).

Generalmente, sustrato película Au cargado horno, tasa calentamiento usualmente 1-2 °C/s, luego reacciona precursor formar aleación AuIn_x bajo punto fusión, In se segregan aleación eutéctica supersaturada reaccionar Se crecer NW In₂Se₃. Tasa calentamiento más lenta resulta pobre uniformidad nanopartículas Au. No solo espesor y tasa calentamiento película Au sustrato sino temperatura crecimiento también factor importante controlar morfología nanohilos. Figura 2a-c imágenes SEM NW In₂Se₃ tras RTA crecidos 550, 600 y 650 °C respectivamente. Imágenes inset Fig. 2a-c mostraron diámetros NW In₂Se₃ 80-100, 100-200 y 300-500 nm respectivamente. Resultados muestran diámetro NW In₂Se₃ ajustable controlando temperatura crecimiento. Al subir temperatura crecimiento, solubilidad In catalizador Au aumentaría; significa átomos In necesitan más cantidades alcanzar concentración supersaturada. Mismo tiempo, NW In₂Se₃ más gruesos crecerán gotas AuIn_x mayores. Figura 2d muestra NW In₂Se₃ crecidos temperatura precursor 850 °C (1,3 °C/s). Ambos crecimiento catalizado Au vapor-líquido-sólido y crecimiento auto-catalizado vapor-sólido (VS) nanomateriales In₂Se₃, incluyendo nanohilos, nanoplacas y película, obtenidos simultáneamente. Temperatura precursor mayor llevará mayor vapor precursor, y exceso precursor llevará producto In₂Se₃, que tiende auto-nuclearse y crecer. Comparado otros estudios, temperatura crecimiento 550 °C mucho menor general reportado 650-750 °C. Además, temperatura precursor reducida 800 °C prevenir crecimiento auto-catalizado. Tabla 1 lista comparación parámetros crecer NW In₂Se₃, incluyendo temperatura sustrato crecimiento (tasa calentamiento), tratamiento recocido sustrato crecimiento, temperatura precursor y diámetro nanohilos. Debido menor temperatura crecimiento, subproducto inhibido tal que NW In₂Se₃ uniformes obtenidos temperatura relativamente baja. Claramente muestra NW In₂Se₃ pueden crecer temperatura crecimiento y precursor más baja este trabajo. Además, resultados proceso RTA mostraron mejor uniformidad diámetro NW In₂Se₃ que sistema convencional, ya que diámetro partículas oro confinados.

TEM recocido in situ usado estudiar efecto tasa calentamiento formación nanopartículas Au y crecimiento nanohilos. Figura 3a imagen TEM película 2 nm Au depositada SiO₂/Si₃N₄ ventana, recocida 0,1 °C/s y 100 °C/s a 550 °C manteniendo 30 min. Figura 3b, c resultados formación nanopartículas Au tasa calentamiento 100 °C/s y 0,1 °C/s respectivamente. Según resultado TEM recocido in situ, tamaño promedio y distribución nanopartículas Au analizados y listados Tabla 2. Brevemente, menor tamaño promedio y mejor uniformidad nanopartículas Au logrados través tasa calentamiento más rápida. Figura 3d imagen TEM NW In₂Se₃ individual recién sintetizado tras RTA crecido 550 °C. Resultado muestra diámetro típico nanohilo ~100 nm, inset correspondiente patrón difracción electrónica área seleccionada (SAED). Figura 3e muestra imagen microscopía electrónica transmisión alta resolución (HRTEM) correspondiente NW In₂Se₃ tomada zona [010] espaciado red 0,35 y 0,48 nm indexado d-spacing planos (100) y (004), demostrando NW In₂Se₃ crece dirección [001]. Análisis EDS tomados tope y tallo; resultados mostrados Fig. 3f, g. Señales Cu y C contribuyen rejilla TEM cobre recubierta carbono. Figura 3f tomada tallo compuesta In y Se solo, ratio atómico In/Se aproximadamente 2/3. Figura 3g resultado EDS composiciones nanopartícula tope, incluyendo In y Au. Señal Au adicional probó NW In₂Se₃ crecen vía mecanismo vapor-líquido-sólido (VLS). Según análisis TEM, SAED, HRTEM, NW crecimiento VLS identificados fase α In₂Se₃.

Conclusiones

Temperaturas precursor y crecimiento más bajas 800 y 550 °C respectivamente proporcionadas crecer NW In₂Se₃ catalizados Au mecanismo VLS. Además, uniformidad NW In₂Se₃ mejorada por tratamiento RTA reducir tamaño y distribución nanopartículas Au. TEM recocido in situ usado estudiar efecto tasa calentamiento película Au transferir nanopartículas Au. Menores temperaturas precursor y crecimiento reducen formación nanoplacas In₂Se₃ auto-catalizadas. Temperatura menor llevará menor concentración precursor y baja energía, y nucleación nanoplacas In₂Se₃ auto-catalizadas inhibida subproducto nanoplaca In₂Se₃.