Fabrikasi dan Sifat Fisik Kawat Nano Kristal Tunggal eta-FeSi2

Hasil dan Diskusi

Kami mengeksplorasi parameter yang dapat mempengaruhi pertumbuhan kawat nano disilisida -besi. Pertama, laju aliran gas yang berbeda diselidiki dari 50 hingga 200 sccm seperti yang ditunjukkan pada gambar SEM pada Gambar 1a-c. Gambar 1a menunjukkan laju aliran gas pada 50 sccm, di mana kami menemukan banyak kawat nano dengan diameter 40 nm dan panjang 10 μm. Gambar 1b menunjukkan laju aliran gas pada 80 sccm, di mana ada beberapa kawat nano tetapi jumlahnya berkurang. Pada Gambar. 1c menunjukkan laju aliran gas pada 120 sccm, bahkan ada lebih sedikit kawat nano yang terbentuk. Menurut hasil, jumlah kawat nano menurun dengan meningkatnya laju aliran gas. Ketika kawat nano tumbuh, prekursornya, FeCl₃ , harus dibawa ke zona hilir tungku tabung dan bereaksi dengan substrat Si oleh gas pembawa. Pada laju aliran gas yang lebih tinggi, mungkin sulit bagi kawat nano untuk tumbuh. Berdasarkan mekanisme pengendapan uap kimia, secara umum terdapat lima langkah dalam proses pengendapan, yaitu, (1) difusi reaktan ke permukaan, (2) penyerapan reaktan di permukaan, (3) reaksi kimia di permukaan, ( 4) desorpsi produk dari permukaan, dan (5) difusi produk dari permukaan. Langkah paling lambat menentukan laju reaksi CVD. Jika (1) atau (5) adalah langkah paling lambat, maka perpindahan massa dikendalikan. Jika (2), (3), atau (4) adalah langkah paling lambat, ini bisa disebut “reaksi permukaan dikendalikan.” Pada suhu rendah dan laju aliran gas yang lambat, reaksi kimia permukaan lebih lambat daripada difusi reaktan; dengan demikian, ini adalah reaksi permukaan yang dikendalikan. Ketika reaksi permukaan dikendalikan, variasi ketebalan film di seluruh wafer di dalam ruang akan tergantung pada distribusi suhu, dan film tipis cenderung terbentuk. Namun, tujuan kami adalah menumbuhkan kawat nano; oleh karena itu, kita harus menghindari reaksi yang dikendalikan reaksi permukaan. Di sisi lain, transfer massa dikendalikan pada suhu tinggi dan laju aliran gas rendah. Ketika transfer massa dikontrol, laju reaktan yang diperoleh paling atas lebih cepat daripada di dinding samping karena pertumbuhan aksial lebih cepat daripada pertumbuhan radial; akibatnya, kawat nano cenderung terbentuk, dan dengan demikian, kami memperoleh banyak kawat nano dengan laju aliran gas yang menurun. Oleh karena itu, reaksi terkontrol perpindahan massa diperlukan untuk pertumbuhan kawat nano.

Gambar SEM dari -FeSi₂ kawat nano pada parameter yang berbeda. Pada laju aliran gas yang berbeda:a 50 sccm, b 80 sccm, dan c 120 sks. Pada suhu yang berbeda:d 750 °C, e 850 °C, dan f 950 °C. Pada waktu durasi yang berbeda:g 1 jam, j 2 h, dan i 5 jam

Parameter kedua yang kami selidiki adalah suhu pertumbuhan yang berbeda seperti yang ditunjukkan pada gambar SEM pada Gambar 1d-f. Gambar 1d menunjukkan suhu pertumbuhan pada 750 °C, di mana ada beberapa kawat nano tetapi panjang dan diameternya pendek dan kecil. Gambar 1e menunjukkan suhu pertumbuhan pada 850 °C, di mana kami menemukan banyak kawat nano dengan diameter 40 nm dan panjang 10 μm. Ketika kami meningkatkan suhu pertumbuhan menjadi 950 °C seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1f, kawat nano menjadi batang nano karena lebih banyak pengendapan prekursor. Parameter ketiga yang kami selidiki adalah durasi waktu; Gambar 1g–i menunjukkan gambar SEM untuk 1 h, 2h, dan 5 h. Secara umum, kami menemukan kawat nano yang lebih panjang dengan bertambahnya waktu durasi. Setelah lebih dari 5 jam, morfologi kawat nano tidak akan berubah secara signifikan, yang mungkin disebabkan oleh fakta bahwa prekursor telah habis dikonsumsi.

Untuk mengidentifikasi struktur kawat nano, kami melakukan analisis difraksi sinar-X (XRD) dan mikroskop elektron transmisi (TEM) seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Semua puncak dalam spektrum XRD yang sesuai dapat diindeks ke struktur ortorombik - FeSi₂ fase seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a. Gambar 2b adalah gambar TEM yang menunjukkan kristal tunggal -FeSi₂ kawat nano; Gambar 2c adalah gambar TEM resolusi tinggi dengan sisipan pola difraksi transformasi Fourier cepat (FFT) yang sesuai, menunjukkan bahwa -FeSi₂ nanowire memiliki struktur ortorombik dengan arah pertumbuhan [200] dan jarak antar bidang (200) dan (111) masing-masing adalah 0,493 nm dan 0,482 nm.

a Pola XRD untuk -FeSi₂ NW, b gambar TEM perbesaran rendah dari -FeSi₂ kawat nano NW, dan c HRTEM dari -FeSi₂ NW. Sisipan di c adalah pola difraksi yang sesuai dengan sumbu zona [011]

Mekanisme pertumbuhan dalam percobaan kami mungkin melibatkan dua reaksi untuk menghasilkan -FeSi₂ kawat nano seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Pada reaksi pertama, evaporasi FeCl₃ dibawa ke tungku hilir, bereaksi dengan substrat Si untuk membentuk -FeSi₂ nanopartikel dan produk sampingan SiCl₄ dengan -FeSi₂ nanopartikel semakin muncul. Pada reaksi kedua, SiCl₄ dari reaksi pertama juga akan bereaksi dengan prekursor evaporasi FeCl₃ dan bentuk -FeSi₂ dan Kl₂ . Dengan Cl₂ dilakukan dengan gas Ar, kami secara bertahap memperoleh -FeSi₂ kawat nano dari kedua reaksi pertama dan kedua. Mekanisme pertumbuhannya adalah VS karena kami tidak mengamati tetesan logam seperti katalis di ujung depan kawat nano. Sintesis melalui mekanisme VLS membutuhkan katalis; Namun, tidak ada katalis yang digunakan dalam percobaan. Untuk menyelidiki lebih lanjut mekanisme pertumbuhan, kami mencoba hidrogen, yang mungkin memiliki efek reduksi; tetap saja, tidak ada tetesan katalitik logam yang terbentuk. Oleh karena itu, kami menunjukkan bahwa mekanisme pertumbuhannya adalah VS.

Ilustrasi skema mekanisme pertumbuhan 1 FeCl₃ (s) → FeCl₃ (G); 2 4FeCl₃ (g) + 11Si(s) → 4β-FeSi₂ + 3SiCl₄ (G); 3 2FeCl₃ (g) + 4SiCl₄ (g) → 2β-FeSi₂ + 11Cl₂

Magnetisasi -FeSi₂ menarik dengan dimensi yang berbeda. Telah ditemukan untuk menunjukkan superparamagnetisme dalam nanopartikel, meskipun tidak ada pemesanan magnetik terjadi dalam jumlah besar [21], sedangkan dalam kasus -FeSi₂ film tipis, feromagnetisme hanya ditemukan pada suhu di bawah 100 K [22]. Perilaku feromagnetik -FeSi₂ kawat nano mungkin karena luas permukaan spesifik yang besar dari kawat nano, yang menyebabkan banyak atom besi tidak berpasangan di permukaan. Selain itu, beberapa regangan dan cacat yang dihasilkan selama proses pertumbuhan dapat menjadi faktor lain yang berkontribusi terhadap feromagnetisme. Untuk menguji sifat magnetik -FeSi yang ditumbuhkan₂ nanowires, sifat magnetik diukur menggunakan Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) dengan opsi VSM.

Gambar 4a adalah respons magnetik hanya dari substrat silikon, yang dengan jelas menunjukkan perilaku diamagnetik; kita kurangi magnetisme substrat silikon untuk semua magnetisme -FeSi berikut₂ kawat nano. Kurva magnetisasi -FeSi₂ nanowires tumbuh di 2 h seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b. Kurva loop histeresis nonlinier menunjukkan bahwa -FeSi₂ kawat nano menunjukkan perilaku feromagnetik pada suhu kamar. Koersivitasnya sekitar 264 Oe. Magnetisasi saturasi yang lebih besar ditemukan pada 2 K karena fluktuasi termal yang menurun. Karena berkurangnya koordinasi atom besi permukaan, atau regangan dan cacat struktural pada kristal, -FeSi₂ kawat nano tumbuh di sini ditemukan feromagnetik [23]. Gambar 4c menunjukkan kurva magnetisasi -FeSi₂ . yang lebih panjang kawat nano tumbuh dalam 5 h. Dari kawat nano yang lebih pendek ke yang lebih panjang, koersivitas meningkat dari 264 menjadi 345 Oe pada 300 K, dan bahkan menjadi 575 Oe pada 2 K; magnetisasi saturasi juga dinaikkan. Dipastikan bahwa kawat nano yang lebih panjang memiliki sifat magnetik yang lebih baik. Pengukuran magnetisasi pendinginan medan yang bergantung pada suhu (FC) dan pendinginan medan nol (ZFC) ditunjukkan pada Gambar. 4d, di mana kurva magnetisasi tidak turun ke nol, menunjukkan bahwa suhu curie -FeSi₂ NWs lebih tinggi dari suhu kamar. Kurva ZFC dan FC dari -FeSi₂ NW tidak tumpang tindih; suhu pemisahan kurva disebut suhu pemblokiran (T_b ), menunjukkan bahwa ada distribusi penghalang energi anisotropi magnetik yang besar [24]. Saat suhu lebih rendah dari T_b , energi anisotropi magnetik lebih besar dari fluktuasi termal. Akibatnya, butiran terhalang dan tidak terpengaruh oleh medan magnet yang diterapkan; dengan demikian, magnetisasi diamati.

a Pengukuran magnetisasi substrat Si. b Pengukuran magnetisasi -FeSi₂ . yang lebih pendek kawat nano pada 2 K dan 300 K. c Pengukuran magnetisasi -FeSi yang lebih panjang₂ kawat nano pada 2 K dan 300 K. d Magnetisasi yang bergantung pada suhu dari -FeSi₂ kawat nano

Untuk mengeksplorasi sifat emisi lapangan, kami melakukan pengukuran emisi lapangan untuk -FeSi₂ kawat nano. Sampel diukur dalam ruang vakum pada ~ 10 ^-6 tor. Gambar 5 menunjukkan kerapatan arus (J ) - bidang (E ) plot dengan -FeSi₂ kawat nano dengan panjang yang berbeda. Menurut plot Fowler–Nordheim (F–N) dan persamaan Fowler–Nordheim:

Plot emisi lapangan -FeSi₂ NW dengan dimensi yang berbeda. Sisipan menunjukkan ln(J . yang sesuai) /E ² )-1/E alur

dimana J adalah rapat arus, E adalah medan listrik yang diterapkan, dan φ adalah fungsi kerja; inset mengungkapkan ln(J /E ² )-1/E merencanakan. Peningkatan lapangan ß dihitung menjadi 1060 dari kemiringan ln(J /E ² ) =ln(Aß ² /φ )-Bφ ^3/2 /ßE , dan ß meningkat dari 1060 menjadi 2367 dengan bertambahnya panjang kawat nano, menunjukkan bahwa -FeSi yang lebih panjang₂ NWs memiliki sifat emisi lapangan yang lebih baik daripada yang lebih pendek, dan bahwa -FeSi₂ NW bisa menjadi bahan emisi lapangan yang bagus.