단결정 Βeta-FeSi2 나노와이어의 제조 및 물리적 특성

결과 및 토론

우리는 β-이산화철 나노와이어의 성장에 영향을 미칠 수 있는 매개변수를 조사했습니다. 첫째, 그림 1a-c의 SEM 이미지에서 볼 수 있듯이 50에서 200sccm까지 다양한 가스 유량을 조사했습니다. 그림 1a는 50sccm에서 가스 유량을 나타내며, 여기서 직경 40 nm, 길이 10 μm의 많은 나노와이어를 발견했습니다. 그림 1b는 일부 나노와이어가 있었지만 양이 감소한 80sccm에서의 가스 유량을 보여줍니다. 120sccm에서 가스 유량을 보여주는 그림 1c에서 더 적은 수의 나노와이어가 형성되었습니다. 그 결과, 나노와이어의 양은 기체유량의 증가에 따라 감소하였다. 나노와이어가 성장하면 전구체인 FeCl₃ , 관로의 하류 구역으로 운반되어야 하며 운반 가스에 의해 Si 기질과 반응해야 합니다. 더 높은 가스 유속에서는 나노와이어가 성장하기 어려울 수 있습니다. 화학 기상 증착 메커니즘에 따라 증착 공정에는 일반적으로 (1) 반응물의 표면으로의 확산, (2) 표면에서의 반응물의 흡수, (3) 표면에서의 화학 반응, ( 4) 표면으로부터 생성물의 탈착, 및 (5) 표면으로부터 생성물의 확산. 가장 느린 단계는 CVD 반응의 속도를 결정합니다. (1) 또는 (5)가 가장 느린 단계인 경우 대량 전달 제어됩니다. (2), (3), (4)가 가장 느린 단계인 경우 "표면 반응 제어"라고 할 수 있습니다. 낮은 온도와 느린 가스 유속에서 표면 화학 반응은 반응물 확산보다 느립니다. 따라서 표면 반응 제어됩니다. 표면 반응 제어 시 챔버 내의 웨이퍼 전체에 걸친 막 두께의 변화는 온도 분포에 따라 달라지며 박막이 형성되는 경향이 있습니다. 그러나 우리의 목적은 나노와이어를 성장시키는 것입니다. 따라서 표면 반응 제어 반응을 피해야 합니다. 반면에 고온 및 낮은 가스 유량에서 물질 전달이 제어됩니다. 물질 전달이 제어되는 경우 축 방향 성장이 방사형 성장보다 빠르기 때문에 상단에서 얻은 반응물의 속도는 측벽에서보다 빠릅니다. 그 결과 나노와이어가 형성되는 경향이 있어 기체유속이 감소하면서 많은 나노와이어를 얻었다. 따라서 나노와이어 성장을 위해서는 물질이동 조절 반응이 필요하다.

β-FeSi₂의 SEM 이미지 다른 매개변수에서 나노와이어. 다른 가스 유량에서:a 50sccm, b 80sccm 및 c 120sccm. 다른 온도:d 750 °C, e 850°C 및 f 950 °C 다른 지속 시간:g 1 시간, 시간 2 h 및 i 5 h

우리가 조사한 두 번째 매개 변수는 그림 1d–f의 SEM 이미지에 표시된 것처럼 다른 성장 온도였습니다. 그림 1d는 750 °C에서 성장 온도를 보여줍니다. 여기서 일부 나노와이어가 있지만 길이와 직경이 짧고 작습니다. 그림 1e는 850 °C에서의 성장 온도를 보여줍니다. 여기서 직경 40 nm, 길이 10 μm의 많은 나노와이어를 발견했습니다. 그림 1f와 같이 성장 온도를 950 °C로 높였을 때, 나노와이어는 전구체의 더 많은 증착으로 인해 나노로드가 되었습니다. 우리가 조사한 세 번째 매개변수는 지속 시간이었습니다. 그림 1g–i는 1 h, 2 h 및 5 h에 대한 SEM 이미지를 보여줍니다. 일반적으로, 우리는 지속 시간이 증가함에 따라 더 긴 나노와이어를 발견했습니다. 5 시간 이상 경과한 후에도 나노와이어의 형태는 크게 변하지 않을 것이며, 이는 전구체가 완전히 소모되었다는 사실에 기인할 수 있습니다.

나노와이어의 구조를 확인하기 위해 그림 2와 같이 X선 회절(XRD)과 투과전자현미경(TEM) 분석을 수행하였다. 해당 XRD 스펙트럼의 모든 피크는 사방정계 β- FeSi₂ 그림 2a와 같이 위상. 그림 2b는 단결정 β-FeSi₂를 보여주는 TEM 이미지입니다. 나노와이어; 그림 2c는 β-FeSi₂ 나노와이어는 성장 방향이 [200]인 사방정계 구조를 가지며, 평면 (200)과 (111)의 면간 간격은 각각 0.493 nm 및 0.482 nm입니다.

아 β-FeSi₂에 대한 XRD 패턴 NW, b β-FeSi₂의 저배율 TEM 이미지 NW 나노와이어 및 c β-FeSi₂의 HRTEM NW. c의 삽입 영역 축

우리 실험의 성장 메커니즘은 β-FeSi₂를 생성하는 두 가지 반응을 포함할 수 있습니다. 그림 3과 같은 나노와이어. 첫 번째 반응에서 증발성 FeCl₃ 용광로 하류로 운반되어 Si 기질과 반응하여 β-FeSi₂를 형성합니다. 나노 입자 및 SiCl의 부산물₄ β-FeSi₂ 포함 나노 입자가 점점 더 많이 나타납니다. 두 번째 반응에서 SiCl₄ 첫 번째 반응에서 증발성 FeCl₃의 전구체와도 반응합니다. β-FeSi₂ 형성 및 Cl₂ . Cl₂ 사용 Ar 가스로 수행하여 점차적으로 β-FeSi₂를 얻었습니다. 첫 번째 반응과 두 번째 반응 모두에서 나노와이어. 나노와이어의 앞부분에서 촉매와 같은 금속 방울이 관찰되지 않았기 때문에 성장 메커니즘은 VS였습니다. VLS 메커니즘을 통한 합성에는 촉매가 필요합니다. 그러나 실험에는 촉매가 사용되지 않았습니다. 성장 메커니즘을 더 조사하기 위해 우리는 환원 효과가 있을 수 있는 수소를 시도했습니다. 여전히, 금속 촉매 액적이 형성되지 않았다. 따라서 우리는 성장 메커니즘이 VS임을 입증합니다.

성장 메커니즘의 개략도 1 FeCl₃ (s) → FeCl₃ (G); 2 4FeCl₃ (g) + 11Si(s) → 4β-FeSi₂ + 3SiCl₄ (G); 3 2FeCl₃ (g) + 4SiCl₄ (g) → 2β-FeSi₂ + 11Cl₂

β-FeSi₂의 자화 차원이 다른 흥미로웠다. β-FeSi₂ 박막에서 강자성은 100 K 이하의 온도에서만 발견되었습니다[22]. β-FeSi₂의 강자성 거동 나노와이어는 나노와이어의 비표면적이 커서 표면에 짝을 이루지 않은 많은 철 원자가 생기기 때문일 수 있습니다. 또한 성장 과정에서 발생하는 일부 변형 및 결함은 강자성에 기여하는 또 다른 요인이 될 수 있습니다. 성장된 β-FeSi₂의 자기적 특성을 조사하기 위해 나노와이어, VSM 옵션이 있는 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)를 사용하여 자기 특성을 측정했습니다.

그림 4a는 반자성 거동을 명확하게 보여주는 실리콘 기판의 자기 응답입니다. β-FeSi₂의 다음 모든 자기에 대해 실리콘 기판의 자기를 뺍니다. 나노와이어. β-FeSi₂의 자화 곡선 나노와이어는 도 4b에 도시된 바와 같이 2 h에서 성장하고 있었다. 비선형 히스테리시스 루프 곡선은 β-FeSi₂ 나노와이어는 실온에서 강자성 거동을 보였다. 보자력은 약 264 Oe였다. 감소하는 열 변동 때문에 2 K에서 더 큰 포화 자화가 발견되었습니다. 표면 철 원자의 배위 감소 또는 결정의 변형 및 구조적 결함으로 인해 β-FeSi₂ 여기에서 성장한 나노와이어는 강자성인 것으로 밝혀졌다[23]. 그림 4c는 더 긴 β-FeSi₂의 자화 곡선을 보여줍니다. 5 h에서 성장하는 나노와이어. 더 짧은 나노와이어에서 더 긴 나노와이어로, 보자력은 300 K에서 264에서 345 Oe로, 심지어 2 K에서 575 Oe로 증가했습니다. 포화 자화도 더 높아졌습니다. 더 긴 나노와이어가 더 나은 자기적 특성을 가짐을 확인하였다. 온도 종속 필드 냉각(FC) 및 제로 필드 냉각(ZFC) 자화 측정이 그림 4d에 나와 있으며, 여기서 자화 곡선은 0으로 떨어지지 않았으며, 이는 β-FeSi₂의 퀴리 온도가 하위> NW는 실온보다 높았다. β-FeSi₂의 ZFC 및 FC 곡선 NW는 겹치지 않았습니다. 곡선 분리 온도를 차단 온도(T_b ) 큰 자기 이방성 에너지 장벽 분포가 존재함을 나타냅니다[24]. 온도가 T_b보다 낮을 때 , 자기 이방성 에너지는 열 변동보다 컸다. 결과적으로 곡물이 차단되고 적용된 자기장의 영향을 받지 않습니다. 따라서 자화가 관찰되었습니다.

아 Si 기판의 자화 측정. ㄴ 더 짧은 β-FeSi₂의 자화 측정 2 K 및 300 K의 나노와이어 c 더 긴 β-FeSi₂의 자화 측정 2 K 및 300 K의 나노와이어 d β-FeSi₂의 온도 의존적 ​​자화 나노와이어

전계 방출 특성을 탐색하기 위해 β-FeSi₂에 대한 전계 방출 측정을 수행했습니다. 나노와이어. 샘플은 ~ 10 ^-6 의 진공 챔버에서 측정되었습니다. 토르. 그림 5는 전류 밀도(J ) - 필드(E ) β-FeSi₂를 사용한 플롯 다양한 길이의 나노와이어 Fowler-Nordheim(F-N) 플롯과 Fowler-Nordheim 방정식에 따르면:

β-FeSi₂의 전계 방출 플롯 차원이 다른 NW. 삽입은 해당 ln(J /이 ² )-1/E 줄거리

여기서 J 현재 밀도, E 는 적용된 전기장이고 φ 는 작업 함수입니다. 삽입은 ln(J /이 ² )-1/E 구성. 필드 향상 ß ln(J의 기울기에서 1060으로 계산되었습니다. /이 ² ) =ln(Aß ² /φ )-Bφ ^3/2 /ßE , 및 ß 나노와이어의 길이가 증가함에 따라 1060에서 2367로 증가하여 더 긴 β-FeSi₂ NW는 더 짧은 것보다 더 나은 전계 방출 특성을 가졌으며 β-FeSi₂ NW는 훌륭한 전계 방출 물질이 될 수 있습니다.