Phương pháp Ablation Laser để tổng hợp dây nano bán dẫn tinh thể
Tóm tắt
Một phương pháp kết hợp giữa quá trình hình thành cụm bằng laser ablation và quá trình kết tinh hơi-lỏng-rắn (VLS) đã được phát triển để tổng hợp các dây nano bán dẫn. Trong quy trình này, laser ablation được sử dụng để tạo ra các cụm xúc tác có đường kính ở mức nanomet, qua đó xác định kích thước của dây tạo thành thông qua quá trình VLS. Phương pháp này đã được sử dụng để điều chế một lượng lớn dây nano silic và germani đơn tinh thể có đường kính lần lượt từ 6 đến 20 nanomet và từ 3 đến 9 nanomet, với chiều dài dao động từ 1 đến 30 micromet. Các nghiên cứu được thực hiện với nhiều điều kiện và vật liệu xúc tác khác nhau đã xác nhận rõ các chi tiết cốt lõi của cơ chế tăng trưởng, đồng thời cho thấy rằng những giản đồ pha đã được xây dựng vững chắc có thể được áp dụng hợp lý để dự đoán vật liệu xúc tác và các điều kiện tăng trưởng thích hợp phục vụ việc tổng hợp dây nano.
Tài liệu tham khảo
Yakobson B. I., Smalley R. E., Am. Sci. 85, 324 (1997).
; F. Buda J. Kohanoff M. Parrinello ibid. p. 1272; G. D. Saunders and Y.-C. Chang Phys. Rev. B 45 9202 (1992).
Charlier J.-C., De Vita A., Blase X., Car R., ibid. 275, 647 (1997);
; D. Bethune et al. ibid. p. 605.
Whitney T. M., Jiang J. S., Searson P. C., Chien C. L., ibid. 261, 1316 (1993);
; C. M. Lieber A. M. Morales P. E. Sheehan E. W. Wong P. Yang in The Robert A. Welch 40th Conference on Chemical Research: Chemistry on the Nanometer Scale R. A. Welch Foundation Houston TX 21 to 22 October 1996 (R. A. Welch Foundation Houston TX 1996) pp. 165–187.
R. S. Wagner in Whisker Technology A. P. Levitt Ed. (Wiley-Interscience New York 1970) pp. 47–119.
For a recent review see M. S. El-Shall and A. S. Edelstein in Nanomaterials: Synthesis Properties and Applications A. S. Edelstein and R. C. Cammarata Eds. (Institute of Physics Philadelphia PA 1996) pp. 13–54.
Analysis of the images suggests that the nanowires correspond to at least 50% of the total product. The remainder of the product corresponds to clusters containing Si Fe and O.
Analysis of the high-resolution images shows that the Si(111) planes may be oriented from 90° to 85° relative to the growth axis.
W. G. Moffatt The Handbook of Binary Phase Diagrams (Genium Schenectady NY 1976).
The observed β form of FeSi 2 is the high-temperature crystal polytype. We believe that this crystal form is kinetically trapped when the nanowire growth is terminated by quenching on the cold finger.
In the case of Au-catalyzed growth Si was not detected at the 1% level in the Au nanoclusters that terminate the Si nanowires. This observation shows that compound formation (for example FeSi x or NiSi x ) is not necessary for nanowire growth.
Bootsma G. A., Gassen H. J., ibid. 10, 223 (1971).
Si nanowires with 10- to 25-nm diameters have been reported recently in surface-supported VLS growth at 320°C (8). These nanowires which have somewhat larger diameters than those produced in the present studies have a substantial number of kink defects. At higher growth temperatures at which straight crystalline nanowires (comparable with the present work) are produced the nanowire diameters are substantially larger: 40 to 100 nm.
J. Hu X. Duan C. M. Lieber unpublished results.
We thank F. Spaepen W. Klemperer J. H. Chen and R. Gordon for discussions and Y. Lu and M. Frongillo for their help in obtaining TEM data. C.M.L. acknowledges support of this work by the Office of Naval Research and the NSF Materials Research Science and Engineering Center.