VLS-Mechanismus

Wo VLS-Mechanismus (VLS von englisch Dampf – Flüssigkeits – Feststoff , dt. Dampf-Flüssigkeits-attached Stoff-Methode ) ist ein Elle Verfahren für sterben herstellung von eindimensionaler Struktur Wie Nanodrähte (im Englischen oft Whisker , dt. Barthaar , genannt) mit Hilfe des katalysatorgestützten Chemischen Gasphasenabscheidung (CVD).

Geschichte

htwachstum aus der Gasphase in Gegenwart Eines Fluss Gold – -Tröpfchen Auf einem Siliziumsubstrate vorgeschlagen. [1] angeregt Wird sterben Erklärung Durch das Fehler von Axial Schraubenversetzungen , für sie einen Wachstumsmechanismus Schauspieler, in den Nanodrähten, Durch Die notwendigkeit Eines Goldtröpfchens für das Wachstum sterben, sterben und anwesenheit des Tropfen an der Spitze der Nanodrähte während des Gesamt Wachstumsprozesses.

Funktionales Schweißen

Das Wachstum Eines Kristall Durch direkte Adsorption Wacholder Gasphase Auf einer Party OBERFLÄCHE ist im sehr langsam Allgemeinen. Wo VLS-Mechanismus umgeht Diesen Umstand Durch Einführung Einer katalytisch wirkenden Fluss Legierungsphase sterben, sterben Durch Übersättigung in der Lage ist, schnell Molekül oder Atome Aus einer Gasphase zu adsorbieren, und aus der das Kristallwachstum anschließend von Gebildeten Keim an der Flüssigkeits Fest Stoff Grenzfläche entsteht. Die Physikalischen Eigenschaften von Nanodrähten, stirbt auf this Weise Kontrolliert Gewächse Ist, Hangar von der Größe und Physikalischen Eigenschaften des Fluss Legierung ab.

Schematische Darstellung des Metallstrahlungswachstums. Die Darstellung sieht die Wege der Ausgangspfade auf der Grenzfläche an dem Wachstumspunkt statt.

VLS-Mechanismus wird in der Regel in drei Phasen beschrieben: [2]

  1. Bereitstellung der flüssigen Legierungströpfchen und dem Substrat, der Draht sollte
  2. Einführung der Reaktionsgase, die an der Oberfläche adsorbiert und in den Tropfen diffundieren
  3. Übersättigung und Keimbildung an der Grenzfläche des Fluss Tropfen und sie Partei Untergrund (erst das Substrat, der Draht Dann selbst), war zu Einem Axial Kristallwachstum Führt

Typische Markierung des Endes der Welt des VLS-Mechanismus als stark verkappte Aktivierung des Katalysators Reaktionsenergie (I Vergleich zu normalen CVD-Prozessen). Des Weiteren sollten die Nanostrukturen nur in den Bereichen Metall-Katalysatoren und Größe und Position der Drähte durch die Metall-Katalysatoren bestimmt werden. Characterized ist herstellung von stark anisotrope Struktur mit Einer sehr Hohen sterben Aspektverhältnis Aus einer vielzahl von Materialien Möglich.

Voraussetzungen für Katalysatorteilchen

The Catalysts müssen folgende Anforderungen erfüllen: [3]

  • Sie müssen eine flüssige Lösung mit dem Kristallinen Material bild.
  • Die Löslichkeit des Katalysators hat eine geringe Signalstärke.
  • Der Gleichgewichts-Dampfdruck Dezember Catalysts Do Muss Gesetz über den Fluss Legierung Hinweg klein sein, so that den Tropfen nicht Verdampfer oder im Radius Schrumpf-Scanner, dann sonst inhomogen Draht entstehen oder das Wachstum frühzeitig Werden beten.
  • Der Katalysator reagiert mit dem Reaktionsgas selbst reagieren.
  • Die Dampf-Feststoff-, Dampf-Flüssig- und Fluss-Fest GrenzflächeneEnergien spielen Eine Schlüsselrolle bei der Tröpfchenform und Durcheinander deshalb vor der Auswahl Eines Katalysatoren Do Bekannt sein geeigneten. Kleiner Kontakt Winkel Zwischen dem Tropfen und ihnen Festkörpern sind besser geeignet für ein großflächiges Wachstum, während großen Kontakt Winkel zu dünnerer Struktur Führen.
  • Das Attach-Fluss kristallographisch gut Grenzfläche Muss Definiert sein (einkristallin mit Einer sehr guter Orientierung Auf der gewünschte Kristallfläche), um ein Wachstum von gut ausgerichteten Nanodrähte zu ermöglichen. Gleichzei tig sollte die Grenzfläche nicht atomar glatt sein, wenn Versetzungen für das Wachstum verwendet wurden. Ander Fälle Kann es dazu kommen, that Atome aus der Lösung Keinen An der definierten OBERFLÄCHE FINDEN und Zufällig Keim Bild.

Wachstum von Silizium-Nanodrähten

Schematische Darstellung der Silicon -Nanodraht-Technologien Wachstums- Durch Die Reaktion von Siliciumtetrachlorid (SiCl 4 ) und molekularem Wasserstoff (H 2 ) aus der Gasphase. Diese wird durch Gold-Silicium-Tropfen katalysiert, die die Waferoberfläche reichlich trägt.

Im following soll das Wachstum Einer Silicium-Nanodrahts den VLS-Mechanismus Durch An einem beispiel beschrieben Werden. Zunächst Wird Eine ca. 1 bis 10 nm Dünne Goldschicht Auf einem Siliziumwafer (das Substrat) mit Hilfe der Sputterdeposition oder sie THERMISCHE Verdampfer abgeschieden. Anschließend Wird der Wafer bei Temperatur Grösser als die Temperatur des eutektischen Punkts von Au-Si (etwa 363 ° C, bei Einer Verhaltnis Au: Si von 4: 1) in Einem Vakuum – Beschichtungsanlage erhitzt (bei Einem Sölch eutektischen). Dabei das Bild bezüglich der Kategorie Waferoberfläche Tröpfchen Aus einer Au-Si-Legierung, je dicker Au-SCHICHT Krieg sterben, sterben die gröberen Tröpfchen. Durchmesser und Position des Tropfen Kann Auch mit Hilfe Einer fotolithographischen Strukturierung Dezember Gold-Film Kontrolliert Werden.

Für das Wachstum von Nanodrähmen wurde die Nichtregierungsreaktion in der Reaktionskammer der Vakuum-Beschichtungsanlage eingeführt. Im Fall von Silizium ist dies beispielsweise Siliziumtetrachlorid (SiCl 4 ) und molekularer Wasserstoff (H 2 ). Dabei brach das Au-Si-Tröpfchen katalytisch, das heißt, die Legierung senkt diese chemischen Reaktionen, die aktiv angeregt werden. So reagiert SiCl 4 mit H 2Temperatur Temperatur Temperatur Temperaturen bei 800 ° C im Single Standard CVD-Prozess. Weiterin Bild Keine Silikonkeim auf der Oberfläche. Allerdings Können sich bei Temperaturen oberhalb 363 ° C Tröpfchen Aus einem eutektischen Au-Si-Legierung und Bilden Silizium aus der Gasphase bis zum erreichar Eines übersättigten Zustand von Gold-Silicium in aufnehmen Kann. Dabei kam auf den Punkt, Dass Gold bei allen Silicon Concentration bis zu 100% Festkörper-Lösungen Bild. Die Übersättigung Dezember Legierungstropfens mit Siliciumatom Führt nun dazu that ein Teil des Silicon zu Partei Kristalliten zusammenfügt, stirbt Geschieht an der Grenzfläche zum Party Siliciumuntergrund entstehen erwähnten Drahtstrukturen aus Silizium sterben.

Wachstumsmechanismus

Tropfenbildung

Das Verwendete Materialsystem, das Vorhandensein Wacholder Oxidschicht Auf dem Tropfen oder der Waferoberfläche Eulen sterben Sauberkeit des Vakuumsysteme (Kontaminationen) Haben einfluss auf Größe der auf den Tropfen wirkenden Kraft sterben. Sie werden die Form von Tröpfchen und die Gestalt von Nanodrähte finden. Die Form des Tropfen, beispielsweise dort Kontakt Winkel β 0 , Kann Zwar Mathematisch modelliert Werden, jedoch Ist Die während des Technologie Wachstums- tatsächlich wirkenden Kraft experimentell sehr schwer zu fair. Dennoch ist Die Form Eines Katalysatortropfens an der Substratoberfläche Durch ein Kräftegleichgewicht wo Oberflächenspannung und die Fluss-Fest Grenzflächenspannung Bestimmt. Dort variierte der Radius des Tropfens mit der Kontaktwinkel:

{\ displaystyle R = {\ frac {r _ {\ mathrm {o}}} {\ sin \ links {\ beta _ {\ mathrm {o}} \ right}}}}.

Wobei 0 der Radius der Kontaktfläche und β 0 der Kontaktwinkel des Tropfens auf der Substratoberfläche ist. There Contact winkels sich aus der Young-Laplace-Verbindung :

{\ Display \ sigma _ {\ mathrm {1}} \ cos (\ beta _ {\ mathrm {o}}) = \ sigma _ {\ mathrm {s}} – \ sigma _ {\ mathrm {ls}} – {\ frac {\ rope} {r _ {\ mathrm {o}}}}}.

Wo Kontakt Winkel IST abhängig von der Oberflächen- (σ s ) und Fluss Fest-Grenzflächen Spannung (σ ls ) Sowie Eine addition Linienspannung (τ), stirbt bei den sehr kleinen Tropfenradien nicht mehr vernachlässigbar ist. Der Beginn des Wachstumstums erhöht die Tropfenhöhe um den Beitrag{\ displaystyle dh} und der Radius, wo der Kontakt flieht, verschlechterte sich {\ displaystyle dr}. Mein weitergehendes Wachstum Vergrössert Sich auch der Neigungswinkel α an der Basis der Nanodrähte und der Kontaktwinkel β 0 :

{\ displaystyle \ sigma _ {\ text {1}} \ cos {\ beta _ {\ text {o}}) = \ sigma _ {\ text {s}} \ cos {\ alpha} matrm {ls}} – {\ frac {\ tau} {r _ {\ mathrm {o}}}}}.

Die Linienspannung hat großen Einfluss auf die Kontaktfläche des Katalysators. Das wichtigste Ergebnis aus dieser Schlussfolgerung ist, dass unterschiedliche Linienspannungen in verschiedenen Wachstumsmoden zu führen sind. Sind die Linienspannungen zu Groß, hat die Nicholasgroß Hillocks (Spitzenförmig aus der Oberfläche herausragendes Material) sich getroffen und ist das Ende des Wachstums.

Durchmesser der Nanodrähte

Der Durchmesser der Nanodrähte hangt von den Eigenschaften des Legierungstropfen ab, so Wird für Drähte mit Durchmessern im Nanometerbereich entsprechend großen Legierungstropfen Auf dem Substrat benötigt. Im Gleichgewichtsfall ist dies nicht möglich, da minimaler Radius eines Metalltropfens sich wie folgt bereinigt [4]

{\ displaystyle R _ {\ mathrm {min}} = {\ frac {2V_ {l}} {RT \ ln (s)}} \ sigma _ {lv} \,}

Wobei L das molare Volumen des Tropfen, σ lv sterben Oberflächenenergie wo Flußsäure gasförmig-Grenzfläche, und s wo Übersättigungsgrad des Gases ist. [5]

Diese Gleichungen reduzieren den minimalen Durchmesser des Tropfens, und wurden in der Regel vom Nanometerbereich ein. Verschiedene Techniken wurden entwickelt, um kleinere Tröpfchen zu erzeugen. Darunter auch die Verwendung von monodispersen Nanopartikeln, die vor dem Substrat warnen, und die Laserablation von Substrat-Catalyst-Mischung. [6]

Wachstumskinetik

Während van VLS-Nanodrahtwachstumsstum ist die Wachstumsturbine vom Durchmesser: Sie wächst von Durchmesser, der schneller wachst der Nanodraht axial. Dies ist auf der Grundlage der Metallurgie-Legierungs-katalysators Übersättigung{\ displaystyle \ Delta \ mu}Die Treiber Kraft für Wachstum ist und mit abnehmenden Durchmessern ebenfalls abnimmt (auch als Gibbs-Thomson – Effekt Bekannt)

{\ displaystyle \ Delta \ mu = \ Delta \ u_ {\ mathrm {o}} – {\ frac {4 \ alpha \ Omega} {d}}}.

Δμ 0 ist die Differenz zwischen dem chemischen Potential von abgespeckten Materialien (in Beispiel Silizium) in der Dampfase und in der Feast Phase. Δμ ist die anfängliche Differenz beim Whiskerwachstum (wenn{\ displaystyle d \ rightarrow \ infty}) Weiter gehend {\ displaystyle \ Omega}ist das Atomvolumen von Silizium und{\ displaystyle \ alpha}die spezielle freie Energie der Drahthortfläche. Aus der obigen Gleichung ergeben sich kleinere Durchmesser (<100 nm) kleinerer Triebekräfte für das Wachstum als Groß Drahhtdurchmesser.

Literatur

  • Florian Michael Kolb: Wachstum und Charakterisierung von Siliziumnanodrähten . 2005, S. 15-20 ( Abstract & PDF – Kapitel 3: Wachstum von Nanodrähten; Dissertation, Martin-Luther-Universität, Halle-Wittenberg, 2005).

Weblinks

  • Wachsende Kristalle im Labor
  • Größere Forschungsgruppe Home Page. Harvard Universität

Einzelstunden

  1. Hochspringen↑ RS Wagner, WC Ellis: Dampf-flüssig-fest-Mechanismus oder Einkristall-Wachstum . In: Angewandte Physik Briefe . Band 4, Nein. 5, 1964, S. 89, doi : 10.1063 / 1.1753975 .
  2. Hochspringen↑ Yicheng Lu, Zhong, Jian: Todd Steiner (Hrsg.): Halbleiter-Nanostrukturen für optoelektronische Anwendungen . Artech House, Inc., Norwood, MA 2004, ISBN 978-1-58053-751-3 , S. 191-192.
  3. Hochspringen↑ RS Wagner, Albert P. Levitt: Whisker Technologie . Wiley – Interscience – New York, 1975, ISBN 0-471-53150-2 .
  4. Hochspringen↑ MH Huang, Y. Wu, H. Feick, N. Tran, E. Weber, P. Yang: Katalytische Wachstum von Zinkoxid – Nanodrähte von Vapor Transport . In: Fortgeschrittene Materialien . Band 13, Nein. 2, Januar 2001, S. 113-116, doi : 10,1002 / 1521-4095 (200101) 13: 2 <113 :: AID-ADMA113> 3,0 .CO; 2-H .
  5. Hochspringen↑ Ji-Tao Wang: Nichtgleichgewicht Nichtdissipative Thermodynamik: Anwendung auf die Niederdruck-Diamantsynthese . Springer Verlag, Berlin 2002, ISBN 978-3-540-42802-2 , S. 65.
  6. Hochspringen↑ Bharat Bhushan: Springer Handbuch der Nanotechnologie . Springer-Verlag, Berlin, ISBN 3-540-01218-4 , S. 105.

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