Crecimiento Controlado de Nanovarillas de ZnO Alineadas Verticalmente mediante Siembra Sol-Gel y Litografía Coloidal en Sustratos Si(100)

Resumen

Diferentes nanoestructuras de ZnO pueden crecerse usando deposición en baño químico de bajo costo. Aunque esta técnica es rentable y flexible, las estructuras finales suelen estar orientadas aleatoriamente y son difíciles de controlar en términos de homogeneidad y densidad superficial. En este trabajo, se utiliza litografía coloidal para patrónar sustratos de silicio (100) y controlar completamente la morfología y densidad de las nanovarillas. Además, se empleó una capa de siembra de ZnO preparada por sol-gel para compensar el desajuste de red entre el sustrato de silicio y las nanovarillas de ZnO. Los resultados muestran un crecimiento exitoso de nanovarillas de ZnO alineadas verticalmente con diámetro y densidad controlables en las aberturas designadas en la máscara de resist patrónada depositada sobre la capa de siembra. Nuestro método puede usarse para fabricar dispositivos optimizados donde nanovarillas de ZnO verticalmente ordenadas de alta calidad cristalina son cruciales para el rendimiento del dispositivo.

Introducción

La capacidad de realizar una arquitectura de nanomaterial precisa y deseable con respecto a dimensiones, disposición y densidad de las nanoestructuras es crucial para la mayoría de nanodispositivos avanzados. Una ruta viable para lograr esto es combinar una técnica de patronado descendente con un método de crecimiento ascendente autoensamblado.

El óxido de zinc (ZnO), uno de los semiconductores más estudiados, muestra un excelente potencial para nanodispositivos optoelectrónicos autoensamblados. Entre las propiedades clave del ZnO en este contexto se pueden mencionar: un procedimiento de crecimiento simple, una banda prohibida directa ancha de 3.2-3.4 eV, una gran energía de enlace de excitón de 60 meV y una alta estabilidad mecánica y térmica [1]. Diferentes técnicas de crecimiento a alta temperatura como deposición química de vapor (CVD) [2], deposición láser pulsada (PLD) [3] y crecimiento vapor-líquido-sólido (VLS) [4], así como técnicas de crecimiento a baja temperatura incluyendo electrodeposición [5] y deposición en baño químico (CBD) [6] se han usado para crecer una plétora de nanoestructuras de ZnO. Entre todas estas técnicas, CBD es más favorable debido a su simplicidad, rentabilidad y aplicabilidad a gran área.

Las nanovarillas de ZnO wurtzita unidimensionales (ZnO NRs) han atraído enorme interés en las últimas dos décadas debido a sus interesantes propiedades electrónicas y mecánicas fundamentales, así como a su gran promesa para electrónica novedosa [6], fotónica [7], aplicaciones electroquímicas [8] y de tecnología limpia. El crecimiento de ZnO NRs usando CBD depende altamente de la calidad cristalográfica de la superficie del sustrato. Los dos sustratos más usados hasta la fecha son: i) sustratos monocristalinos adaptados de red (ZnO monocristalino [9], Al₂O₃ [10] y GaN [11]) con una película delgada heteroepitelial de ZnO, y ii) sustratos no epiteliales pre-recubiertos con una capa de siembra texturizada para proporcionar sitios de nucleación adecuados [12]. Mientras que los sustratos monocristalinos generalmente resultan en calidad de crecimiento de NR significativamente mayor, el alto costo del sustrato limita su aplicación. Por el contrario, el crecimiento de NRs en sustratos no epiteliales de bajo costo, provistos de una capa de siembra policristalina texturizada, conduce a un crecimiento de NR orientado aleatoriamente.

En muchas aplicaciones de dispositivos de alto rendimiento, una ingeniería precisa de la densidad superficial de NR, ordenamiento lateral y alineación vertical es de gran importancia. El crecimiento de NRs por CBD ofrece varias formas directas de ingeniar la arquitectura de NR en el sustrato controlando parámetros de crecimiento como concentración de solución [13], temperatura [14], pH [15] y duración de deposición. Desafortunadamente, cambiar cualquiera de estos parámetros típicamente también causa cambios no deseados en el resultado del crecimiento de NR. Por esta razón, hasta ahora, el patronado del sustrato es la forma más efectiva de controlar la posición, densidad y alineación de ZnO NRs. En la gran mayoría de estudios reportados, el patronado del sustrato incluye: preparación y limpieza del sustrato, deposición de una capa de resist máscara, apertura de huecos en la capa de resist por litografía para crecimiento de área selectiva, y crecimiento CBD de NRs en los huecos.

Durante la última década, se han hecho varios esfuerzos para crecer arreglos ordenados de ZnO NRs verticales. En la mayoría de estos estudios, usando la misma técnica CBD, los autores se han centrado en dos pasos clave de procesamiento: preparación de sustratos apropiados, y uso de diferentes técnicas de patronado, como litografía de haz de electrones (EBL), litografía de interferencia láser (LIL) y litografía de nanoimpresión (NIL). Wang et al. demostraron crecimiento no epitelial de ZnO NRs alineados verticalmente en ZnO policristalino recubierto en Si y sustratos de GaN patrónados por EBL [11]. Luego, reportaron crecimiento heteroepitelial perfectamente alineado de ZnO NRs en sustratos de GaN patrónados por LIL [16]. En un esfuerzo por reemplazar los costosos sustratos de ZnO y GaN con sustratos de Si o vidrio de bajo costo, usaron exitosamente una capa texturizada de ZnO de 30 µm de espesor como capa de siembra plana (0001) de ZnO. En una serie de artículos, Volk et al. realizaron exitosamente crecimiento homoepitelial de ZnO NRs en sustratos de ZnO monocristalino patrónados por EBL [10, 17-19]. El impacto de diferentes sustratos patrónados [10], una superficie de ZnO terminada en Zn versus terminada en O [17], una película delgada de ZnO policristalino pulverizada [18], y una capa de siembra de ZnO depositada por deposición de capas atómicas (ALD) [19] en la calidad de ZnO NRs crecidos por CBD han sido investigados profundamente. En un enfoque diferente, PLD se usó para crecimiento heteroepitelial de una capa de siembra de ZnO en sustrato monocristalino Al₂O₃ (0001), seguido de patronado NIL [20]. Más detalles sobre la ventana de concentración de Zn en CBD y su efecto en la morfología de ZnO NRs se discutieron en el mismo artículo. Crecimiento de área selectiva de ZnO NRs en diferentes sustratos, incluyendo Si (111), GaAs (111) e InP (111), usando patronado EBL y deposición electroquímica también se ha reportado [21].

En todas las referencias revisadas, el crecimiento de ZnO NRs en sustrato de ZnO monocristalino resulta en la mayor calidad cristalina, mientras que un recubrimiento con una capa delgada de ZnO policristalino en otros sustratos monocristalinos costosos conduce a excelente crecimiento de ZnO NRs alineados verticalmente. Emplear técnicas de patronado sofisticadas, como EBL, para crecimiento selectivo de ZnO NRs también tiene un impacto esencial en el costo del producto final y, consecuentemente, en la aplicación potencial. Para superar problemas de complejidad demandante relacionados con la definición de patrones y sustratos costosos en la fabricación de arreglos de ZnO NRs alineados verticalmente, proponemos combinar una película delgada de NPs de ZnO altamente uniforme preparada simplemente en sustratos Si con patronado por litografía coloidal (CL).

Una técnica sol-gel, descrita en [22], puede usarse para preparar una capa de siembra de NPs de ZnO policristalino altamente uniforme, densa y delgada en virtualmente cualquier sustrato, incluyendo Si o vidrio. En contraste con el centrifugado de una dispersión de NPs de ZnO en un sustrato, que usualmente conduce a islas dispersas no continuas de clusters de NPs [23], el método sol-gel resulta en una capa delgada (decenas de nm) continua y altamente uniforme de NPs de ZnO. Para crecimiento CBD de área selectiva, una capa de resist polimérico se centrifuga subsecuentemente en la capa de siembra de ZnO y se patróna por CL. Además de ser un método de litografía de bajo costo, CL también es adecuado para patronado de área de wafer a gran escala, alto rendimiento y compatibilidad con cualquier sustrato, ofreciendo excelente control sobre tamaño y paso de características [24-26].

Métodos

Materiales

Todos los químicos usados en este trabajo fueron comprados de Sigma-Aldrich y usados sin purificación adicional. La suspensión de NPs de poliestireno (PS-NBs) con diámetro medio de 140 ± 5 nm en agua fue comprada de microParticles GmbH, Alemania.

Preparación de la Capa de Siembra de NPs de ZnO

La solución sol-gel de NPs de ZnO se preparó según [22] disolviendo 8.25 g de acetato de zinc (Zn(CH₃COO)₂·2H₂O) y 2.26 ml de monoetanolamina (etanolamina) en 100 ml de etanol puro con concentraciones finales de 375 mM. La solución se agitó en placa caliente a 60 °C por 10 h y luego a temperatura ambiente durante la noche. Un wafer de Si (100) de dos pulgadas, altamente dopado tipo n, fue limpiado por ultrasonicación secuencial en acetona, isopropanol y agua DI, seguido de secado en placa caliente a 120 °C por 5 min. El sustrato Si limpio se sumergió en la solución sol-gel de NPs de ZnO y se extrajo a velocidad constante de 30 mm/s usando un dip-coater controlado por computadora. Finalmente, se recoció en placa caliente a 300 °C por 10 min para eliminar orgánicos residuales y mejorar la cristalinidad de NPs de ZnO. Los pasos de dip-coating y recocido se repitieron dos veces para aumentar la homogeneidad de la capa y cobertura superficial.

Patronado de la Muestra Sembrada por CL

El CL se realizó en un resist de doble capa, consistente en un resist de haz de electrones PMMA (polimetilmetacrilato, M_W = 950 k) sacrificial y un fotoresist positivo MICROPOSIT S1805. Primero, 0.3 ml de solución al 4% en peso de PMMA en tolueno se centrifugó en la muestra sembrada a 4000 rpm por 30 s, seguido de horneado suave a 170 °C por 10 min. Subsecuentemente, 0.3 ml de S1805 se centrifugó en la muestra a 4000 rpm por 30 s, seguido de horneado suave a 110 °C por 90 s y horneado duro a 145 °C por 5 min. Luego, la muestra fue tratada por UV-ozono por 5 min, mejorando la hidroflicidad superficial, y luego 1 ml de solución al 0.2% en peso de PDDA (poli(dialildimetilamonio), M_W = (200-350)k) en agua DI se pipeteó en la superficie de la muestra. Después de 1 min de asentamiento, la muestra fue enjuagada a fondo con agua DI y secada con N₂. La monocapa cargada positivamente de PDDA garantiza adhesión electrostática de NPs de PS cargadas negativamente a la superficie en el siguiente paso. Después, 1 ml de suspensión al 0.1% en peso de NPs de PS en agua DI se depositó en la superficie de la muestra. Después de 1 min de asentamiento, la muestra fue enjuagada suavemente con agua DI y secada con N₂. Una capa de Al de 30 nm de espesor se evaporó térmicamente en la muestra con cuentas como máscara de grabado metálico. Después de la evaporación, las NPs de PS recubiertas de Al fueron removidas por desprendimiento con cinta acrílica libre de silicona Ultron 1009R (Fig. 1c). Grabado iónico reactivo (RIE, presión 150 mTorr, flujo O₂ 40 sccm, potencia RF 60 W y tiempo de grabado 90 s) se empleó para grabar la capa de resist en los huecos hasta la capa de siembra de NPs de ZnO (Fig. 1d). Finalmente, para grabar en húmedo la máscara metálica de Al (Fig. 1e) sin grabar la capa de siembra de NPs de ZnO expuesta, se usó una solución particular de hidróxido de potasio (KOH) y hexacianoferrato III de potasio (K₃Fe(CN)₆) en agua DI con concentraciones de 30 mM y 50 mM respectivamente [28]. El grabado en húmedo se realizó a temperatura ambiente por 1 min. Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM) de los pasos de fabricación se proporcionan en Archivo adicional 1: Figuras S1 y S2.

CBD de ZnO NRs en la Muestra Patrónada por CL

Una solución de 50 mM nitrato de zinc hexahidratado (Zn(NO₃)₂·6H₂O) y 50 mM hexametilentetramina (HMT) en 100 ml agua DI se preparó para crecer las ZnO NRs. Los sustratos sembrados patrónados se mantuvieron boca abajo en la solución de crecimiento por 2 h a 95 °C en un horno. Después de completado el crecimiento, las muestras se enfriaron a temperatura ambiente, se retiraron de la solución y se enjuagaron con agua DI (Fig. 1f).

Resultados y Discusión

Capa de Siembra de ZnO

El crecimiento de ZnO NRs verticales bien alineados con alta cristalinidad depende de la calidad de la capa de siembra. Para esto, desarrollamos capas de siembra lisas con tamaños de grano grandes y orientación cristalina óptima. La capa de siembra de NPs de ZnO preparada fue investigada respecto a rugosidad superficial y estructura cristalina usando AFM y análisis de difracción de rayos X (XRD). Las imágenes AFM en Fig. 2 muestran mejora significativa en la homogeneidad y lisura de la capa de siembra después de repetir el dip-coating, como se explicó arriba. Después de un dip-coating de un sustrato Si en la solución sol-gel, se formó una capa de NPs de ZnO de 21 ± 5 nm de espesor con rugosidad RMS de 1.2 nm (Fig. 2a) en la superficie Si. Repetir el dip-coating resultó en una capa de NPs de ZnO más lisa de 40 ± 5 nm de espesor con rugosidad RMS de 0.9 nm en un borde de grano (Fig. 2b). Cada paso de dip-coating fue seguido por un tratamiento de recocido a 300 °C por 10 min que sinterizó las NPs juntas en tamaños de grano cristalino mayores.

Tres factores influyen principalmente en los bordes de grano cristalino observados en imágenes AFM: (1) el espesor de la capa de siembra de ZnO que es proporcional al número de pasos de dip-coating, (2) la temperatura y duración de los pasos de recocido subsecuentes, y (3) impurezas o dopantes presentes en la estructura cristalina. Se ha mostrado que tamaños de grano mayores se logran aumentando el espesor de las capas de ZnO [29, 30]. Además, recocido a temperatura más alta y por más tiempo conduce a mejor sinterizado de partículas pequeñas y tamaños de grano aumentados. Adicionalmente, impurezas no intencionales presentes durante el proceso de síntesis, o dopantes añadidos a la capa de siembra de ZnO resultan en tamaños de grano menores [31]. Aunque nuestras muestras no están dopadas intencionalmente, la presencia de monoetanolamina en la solución sol-gel muy probablemente introduce impurezas durante el recocido, causando tamaños de grano menores. Las zonas de grano cristalino son comparativamente mayores que el diámetro de 140 nm de NPs de PS usadas para CL. Consecuentemente, aumenta la probabilidad de terminar con ZnO NRs crecidos en huecos sobre un solo grano cristalino sin borde de grano.

Para crecer ZnO NRs alineados verticalmente, una capa de siembra de ZnO orientada (002) es deseable. Los resultados XRD en Fig. 3 muestran la estructura cristalina y orientación de capas de siembra dip-coating de uno y dos pasos. En ambas muestras, la capa de siembra de ZnO policristalino exhibe orientaciones de planos cristalinos (100), (002) y (101). El proceso autoformativo de NPs de ZnO policristalino se ha estudiado previamente con más detalle [5, 32]. Aplicar el segundo dip-coating y tratamiento de recocido aumentó la relación entre las áreas integradas de picos XRD producidos por planos (100) y (002) de acuerdo con un reporte previo [29]. Aunque repetir el proceso de dip-coating mejora la lisura y tamaño de grano de la capa de siembra, la estructura cristalina se vuelve menos favorable para el crecimiento de ZnO NRs por CBD por la presencia aumentada de planos (100).

Patronado CL y Crecimiento de ZnO NRs

La deposición de las capas de siembra de ZnO fue seguida directamente por patronado CL de áreas seleccionadas. La Figura 4a muestra una imagen SEM de una capa de resist patrónada por CL después de grabado RIE y remoción de Al. Un patronado CL uniforme de área grande se demuestra claramente en el sustrato Si sembrado con ZnO, con una densidad superficial de nanohuecos de 4.2 nanohueco/µm² y una distribución de diámetro centrada alrededor de 190 nm (Fig. 4b). El diámetro final del nanohueco se encontró 36% mayor que el diámetro de NPs de PS, lo que se atribuye al RIE de 90 s de la capa de resist. El diámetro de los nanohuecos puede simplemente ajustarse eligiendo un tamaño diferente de NPs de PS. Aquí, elegimos un tamaño de cuenta optimizado de 140 nm para asegurar crecimiento de una sola ZnO NR en cada nanohueco por CBD. Usar un tamaño de NPs de PS menor dificulta el crecimiento CBD debido al flujo insuficiente de la solución de crecimiento en el resist patrónado hidrofóbico. Usar NPs de PS de mayor diámetro resulta en crecimiento no deseado de clusters de ZnO NRs en cada nanohueco [21, 27, 33].

Además del tamaño de característica de nanohueco, el paso del patrón también puede ajustarse controlando la distancia promedio entre NPs de PS dispersas. NPs de PS cargadas negativamente se distribuyen en la superficie por fuerzas repulsivas electrostáticas netas, que pueden controlarse apantallando las fuerzas de repulsión electrostática entre NPs de PS. Esto se ha hecho añadiendo una cantidad controlada de sal en la suspensión de NPs de PS, como se reportó previamente extensamente en literatura [25, 26]. Aquí en su lugar consideramos el efecto de la concentración de NPs de PS en la distribución superficial de nanohuecos. Además de la suspensión de NPs de PS al 0.1% en peso mencionada arriba, se usaron tres concentraciones menores de 0.02%, 0.01% y 0.003% para fabricar muestras patrónadas CL. Archivo adicional 1: Figura S4 muestra que una reducción de la concentración de NB a los valores mencionados resulta en densidades superficiales de nanohuecos de 3.2, 1.5 y 0.4 nanohueco/µm², respectivamente. Interesantemente, la función de distribución radial (RDF) de los nanohuecos para las diferentes muestras (Fig. 4c y Archivo adicional 1: S4d) muestra un orden de corto alcance en la distribución de los nanohuecos debido a la fuerza neta entre NPs de PS en el proceso CL. De las posiciones de pico primario extraídas para diferentes concentraciones de NPs de PS, se extrajo que la separación promedio de nanohueco a su vecino contrariamente se reduce con concentración decreciente de NPs de PS a 392 nm, 374 nm, 336 nm y 298 nm, respectivamente. De esto se puede concluir que concentraciones menores de NPs de PS resultan en una distribución de nanohuecos menos uniforme, como es visible en las imágenes SEM en Archivo adicional 1: Figura S4.

Para investigar el mecanismo de crecimiento de ZnO NRs en sustratos patrónados CL con más detalle, se realizó un estudio de la tasa de crecimiento versus tiempo de crecimiento. Las Figuras 5a y 5b muestran las etapas tempranas del crecimiento de ZnO NR después de 5 min y 25 min, respectivamente. Al principio, los huecos sembrados expuestos forman una plantilla de capa de humectación para la solución de crecimiento con orientación cristalina aleatoria, proporcionando sitios de nucleación para CBD de ZnO NRs. Múltiples ZnO NRs crecen epitaxialmente desde los sitios de núcleos en direcciones aleatorias (Fig. 5a). Las paredes de los nanohuecos restringen el crecimiento de NRs con grandes ángulos de desviación, y solo esos pocos NRs con dirección casi vertical continuarán creciendo, como se ve en Fig. 5b.

Al continuar el proceso CBD, los nanohuecos se llenan con tocones de NRs fuera de dirección cortos y solo unos pocos NRs crecen fuera de la capa de resist patrónada. A una temperatura de crecimiento lo suficientemente alta (95 °C en nuestro experimento), unos pocos ZnO NRs casi verticales en cada nanohueco se fusionan, formando una sola NR creciendo desde cada abertura de acuerdo con un reporte previo [11]. El arreglo óptimo de ZnO NR obtenido en una muestra de área de wafer a gran escala se muestra en Fig. 5c y 5d.

Para cuantificar la alineación vertical de NR, realizamos un análisis XRD de crecimiento de ZnO NR en capas de siembra similares no patrónadas y patrónadas CL. La Figura 6 muestra que la reflexión ZnO (002) es dominante para la muestra patrónada CL, indicando una mejor alineación del eje c de ZnO NR. En contraste, la muestra no patrónada muestra reflexiones ZnO (100) y (101) más pronunciadas resultantes de una mala alineación vertical. Además, se realizó un análisis estadístico de imágenes SEM de muestras patrónadas CL (Fig. 5c) y no patrónadas (Archivo adicional 1: Figura S3a). Las distribuciones del ángulo de desviación desde la normal superficial en Archivo adicional 1: Figuras S3b y S3c muestran un ángulo de desviación medio de 18° para la muestra no patrónada y 13° para la muestra patrónada CL, respectivamente. Este resultado proporciona mayor apoyo para la conclusión de que el crecimiento de ZnO NR en muestras patrónadas CL produce mejor alineación vertical comparado con muestras no patrónadas.

Dos muestras adicionales patrónadas CL, usando NPs de PS de 107 nm y 320 nm de diámetro, fueron preparadas y examinadas por SEM (imágenes añadidas en Archivo adicional 1: Figura S5). Los pequeños NPs de PS de 107 nm resultaron en un CBD pobre e inhomogéneo de ZnO NRs mientras que los mayores NPs de PS de 320 nm condujeron a ZnO NRs múltiples en forma de estrella y alineados aleatoriamente pero bastante uniformes. Este resultado indica fuertemente que elegir un tamaño óptimo de nanohueco, dependiendo del diámetro de las NRs, es crucial para crecer una sola ZnO NR alineada verticalmente en cada nanohueco.

Un análisis químico del arreglo óptimo final de ZnO NRs crecido por CBD se realizó usando espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDS). Los mapas espaciales EDS (Archivo adicional 1: Figura S6) muestran presencia clara de los elementos esperados O, Zn, Si y C. La delgada capa de siembra de ZnO no fue identificada debido al límite de resolución espacial.

Finalmente, en Fig. 7, mostramos mapeo de catodoluminiscencia resuelto espacialmente de una sola ZnO NR. El estudio de catodoluminiscencia se realizó en un SEM dedicado a temperatura ambiente, operando a 5 keV con corriente de sonda de 25 pA. La luminiscencia fue registrada por un detector CCD en modo hiperespectral, donde un espectro completo se registra en cada píxel de las imágenes. Se presenta un espectro de intensidad de catodoluminiscencia promedio (Fig. 7a), y mapas hiperespectrales a lo largo de una línea (Fig. 7b), como imagen de falso color en Fig. 7c. Interesantemente, se observó una fuerte emisión de borde de banda cercano, con pico a 380 nm, en el segmento inferior de la NR. Se vuelve más débil más arriba, donde en su lugar una fuerte recombinación de nivel profundo resulta en una banda de emisión ancha con posición de pico a 620 nm. La catodoluminiscencia general en vista superior en Archivo adicional 1: Figura S7, también muestra las dos características espectrales de luminiscencia en un área mayor.

Es bien conocido que la emisión de nivel profundo se debe a los niveles de defecto puntual nativo de vacancias de Zn y O en la estructura cristalina. La distribución espacial no uniforme de la emisión de nivel profundo indica así una distribución inhomogénea de defectos a lo largo de las NRs, con mayor densidad de defectos en regiones de emisión más fuerte. Esta variación local de defectos puede atribuirse al cambio de parámetros de crecimiento, ej. concentraciones de precursores, durante el proceso CBD, como se reportó previamente en literatura [34, 35].

Como se reporta frecuentemente en literatura, el crecimiento vertical de ZnO NRs se reclama solo demostrando imágenes SEM en vista superior o patrones de difracción XRD integrados. Pero imágenes transversales más precisas típicamente muestran que el crecimiento en sustratos no patrónados, en la fase temprana, resulta en una capa compacta de ZnO texturizada con alineación vertical en la parte superior de NRs cortas [36]. Los NRs individuales son más o menos indistinguibles entre sí, sin dejar caminos abiertos al sustrato (Archivo adicional 1: Figura S3a). En contraste, el crecimiento en sustratos patrónados resulta en arreglos de NRs con espacio abierto entre ellos. Evidentemente, la técnica de nanofabricación demostrada aquí es capaz de sintetizar un crecimiento selectivo, controlado en densidad, independiente del sustrato y ascendente de ZnO NRs individuales de alta calidad. Debido al comportamiento intrínseco del crecimiento epitaxial en una capa de siembra policristalina, los arreglos finales de NRs no exhiben una alineación vertical perfecta. Sin embargo, se observa fácilmente una mejora significativa en la alineación vertical comparado con muestras no patrónadas (Archivo adicional 1: Figura S3a). Se necesitan investigaciones más profundas para mejorar y controlar aún más la orientación cristalina crítica de la capa de siembra.

Conclusiones

En resumen, realizamos un crecimiento casi vertical de ZnO NRs en sustratos Si (100) patrónados CL, pre-recubiertos con una capa de siembra de NPs de ZnO. La capa de siembra se depositó uniformemente usando una técnica sol-gel por dip-coating de los sustratos Si en la solución sol-gel. Nuestros hallazgos muestran que el dip-coating de dos pasos mejora la lisura y el tamaño de grano cristalino de la capa de siembra, conduciendo a una mejor alineación de NRs. Además, una plantilla de resist con nanohuecos de área selectiva con diámetro y paso ajustables fue fabricada en los sustratos sembrados usando CL. Subsecuentemente, crecimos un arreglo controlado en densidad de ZnO NRs individuales en los nanohuecos patrónados por CBD e investigamos por XRD y catodoluminiscencia respecto a calidad cristalina. También, las etapas de crecimiento de ZnO NRs fueron estudiadas por SEM después de diferentes intervalos de tiempo de crecimiento. Nuestra técnica de nanofabricación demostrada, ofreciendo simplicidad, uniformidad en áreas de wafer a gran escala y crecimiento controlado de ZnO NRs verticales puede usarse para fabricar dispositivos de alto rendimiento.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos relevantes para la reproducción de los resultados presentados en este trabajo están incluidos en este artículo publicado o en su archivo de información suplementaria (SI).

Abreviaturas

ZnO NRs:

Nanovarillas de óxido de zinc

NPs:

Nanopartículas

CBD:

Deposición en baño químico

CL:

Litografía coloidal

PS-NBs:

Nanocuentas de poliestireno

DI:

Agua desionizada

RIE:

Grabado iónico reactivo

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

EDS:

Espectroscopía de rayos X dispersiva en energía

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

XRD:

Difracción de rayos X

RMS:

Raíz cuadrada media

RDF:

Función de distribución radial