PL225326B1 - Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO na podłożach półprzewodnikowych - Google Patents
Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO na podłożach półprzewodnikowychInfo
- Publication number
- PL225326B1 PL225326B1 PL398029A PL39802912A PL225326B1 PL 225326 B1 PL225326 B1 PL 225326B1 PL 398029 A PL398029 A PL 398029A PL 39802912 A PL39802912 A PL 39802912A PL 225326 B1 PL225326 B1 PL 225326B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- precursor
- zno
- zinc
- mixture
- growth
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 10
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 239000002061 nanopillar Substances 0.000 title abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 16
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims abstract description 7
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims description 6
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- ONDPHDOFVYQSGI-UHFFFAOYSA-N zinc nitrate Chemical group [Zn+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ONDPHDOFVYQSGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- ZOIORXHNWRGPMV-UHFFFAOYSA-N acetic acid;zinc Chemical group [Zn].CC(O)=O.CC(O)=O ZOIORXHNWRGPMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 2
- 239000004246 zinc acetate Substances 0.000 claims description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims 1
- 239000011324 bead Substances 0.000 abstract description 4
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 34
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 17
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 7
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 5
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 4
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940057499 anhydrous zinc acetate Drugs 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 244000052616 bacterial pathogen Species 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000006023 eutectic alloy Substances 0.000 description 1
- 239000000374 eutectic mixture Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 210000001161 mammalian embryo Anatomy 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910000000 metal hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004692 metal hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- DJWUNCQRNNEAKC-UHFFFAOYSA-L zinc acetate Chemical compound [Zn+2].CC([O-])=O.CC([O-])=O DJWUNCQRNNEAKC-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229960000314 zinc acetate Drugs 0.000 description 1
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Przedmiotem wynalazku jest hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO na podłożach półprzewodnikowych, a zwłaszcza na podłożach z arsenku galu. Sposób charakteryzuje się tym, że najpierw podłoże półprzewodnikowe zawierające eutektyczne kulki zarodkujące wzrost umieszcza w mieszaninie reakcyjnej o pH wynoszącym 7-12. Mieszanina ta zawiera rozpuszczalnik co najmniej jeden prekursor tlenu i co najmniej jeden prekursor cynku. Następnie temperaturę mieszaniny podnosi się do temperatury 60-95°C i przy ciśnieniu atmosferycznym, przez co najmniej 5 minut prowadzi się wzrost nanosłupków ZnO.
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków tlenku cynku na podłożach półprzewodnikowych, a zwłaszcza na podłożach z arsenku galu i krzemu. Podłoża zawierające takie nanosłupki przeznaczone są do zastosowania w czujnikach pomiaru stężeń gazów i cieczy, w ogniwach fotowoltaicznych a także w przyrządach emisyjnych.
W literaturze opisane są różne sposoby wytwarzania nanosłupków ZnO.
Na przykład w publikacji: E. Wolska, B.S. Witkowski, M. Godlewski, ZnO Nanopowders by a Microwave Hydrothermal Method - Influence of the Precursor Type on Grain Sizes, Acta Physica Polonica A, Vol. 119, No.5, 2011, opisany jest wzrost nanostruktur ZnO w postaci nanoproszków metodą hydrotermalną wspomaganą mikrofalowo. W opisanym sposobie, nanoproszki takie otrzymuje się z mieszaniny reakcyjnej zawierającej rozpuszczalnik oraz prekursory tlenu i cynku. Mieszaninę tą umieszcza się w reaktorze a następnie w warunkach podwyższonego ciśnienia i przy podwyższonej temperaturze prowadzi się wzrost. Wzrost zachodzi w całej objętości, a wytworzone struktury (nanoproszki) nie są przymocowane do żadnego podłoża, co utrudnia ich praktyczne wykorzystanie.
Z publikacji: Sang-Woo Kim, Shizuo Fujita, Shigeo Fujita, ZnO nanowires with high aspect ratios grown by metalorganic chemical vapor deposition using gold nanoparticles, Applied Physics Letters 86, 153119, 2005, znany jest sposób wytwarzania nanosłupków, w którym wzrost prowadzony jest metodą MOCVD (ang. Metal Organic Chemical Vapor Deposition). W sposobie tym, najpierw na krzemowe podłoże, metodą powlekania wirowego nanosi się z roztworu, nanocząstki złota. Nanocząsteczki złota stanowią katalizator dla wzrostu słupków ZnO zgodnie z mechanizmem wzrostu para ciecz - ciało stałe (VLS) (ang. Vapour- Liquid - Solid). Następnie przy określonej szybkości przepływu gazów w komorze reakcyjnej, obniżonym ciśnieniu, w temperaturze ok. 550°C prowadzi się wzrost nanosłupków (nanocząstki złota płyną na froncie wzrostu).
Wytwarzanie nanosłupków metodą MOCVD wymaga dosyć złożonego układu, który zapewniałby precyzyjną kontrolę parametrów procesu.
Z publikacji: Zhengrong R. Tian, James A. Voigt, Jun Liu, Bonnie Mckenzie, Matthew J. Mcdermott, Mark A. Rodriguez, Hiromi Konishi, Huifang Xu, Complex and oriented ZnO nanostructures, Nature Materials 2, 821-826, 2003, znany jest sposób, w którym z roztworu, metodą wzrostu z zarodka, wytwarzano na odpowiednim podłożu nanostruktury ZnO w postaci nanodrutów. Zastosowane w sposobie tym podłoża zawierały nanocząstki tlenku cynku stanowiące zarodki do dalszego wzrostu nanodrutów.
Wadą tego sposobu są trudności w przygotowaniu podłoża zawierającego odpowiednie zarodki, a ponadto bardzo wolny wzrost. Wytworzenie nanodrutu ZnO o długości od 1 do 5 ąm trwało zwykle 1-2 dni.
Celem wynalazku jest opracowanie taniego, prostego i szybkiego sposobu wytwarzania nanosłupków ZnO na podłożach półprzewodnikowych. Sposobu, który gwarantowałby równomierne rozmieszczenie nanosłupków na podłożach i charakteryzowałby się dużą powtarzalnością.
W sposobie według wynalazku nanosłupki ZnO wytwarza się na podłożu półprzewodnikowym zawierającym eutektyczne kulki zarodkujące wzrost. W sposobie tym, najpierw na półprzewodnikowe podłoże, korzystnie z arsenku galu zawierające złoto - galowe eutektyczne kulki zarodkujące umieszcza się w mieszaninie reakcyjnej o pH 7-12. Przy czym mieszanina ta zawiera rozpuszczalnik, co najmniej jeden prekursor tlenu, i co najmniej jeden prekursor cynku. Następnie temperaturę mieszaniny reakcyjnej podnosi się do temperatury 60-95°C, i przy ciśnieniu atmosferycznym, przez co najmniej 5 minut, ciągle roztwór mieszając, prowadzi się wzrost nanosłupków ZnO. Korzystnie jest jeżeli prekursorem tlenu w mieszaninie reakcyjnej jest woda, a prekursorem cynku jest azotan cynku lub octan cynku.
Hydrotermalny sposób wytwarzania na podłożach półprzewodnikowych nanosłupków ZnO jest bardzo prosty, nie wymaga stosowania skomplikowanej aparatury do kontroli przepływu gazów lub cieczy czy utrzymania wysokiej próżni. Jest procesem bezpiecznym, bo wzrost odbywa się przy stosunkowo niskiej temperaturze (ok. 60-95°C) i przy ciśnieniu atmosferycznym. Przygotowanie mieszaniny reakcyjnej wymaga jedynie wymieszania prekursorów w wodzie lub w innym rozpuszczalniku.
Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania nanosłupków ZnO na podłożu z arsenku galu.
Sposób według wynalazku wykorzystuje mechanizm zarodkowania wzrostu nanosłupków w roztworze poprzez, nanometrowe kulki ze stopu eutektycznego złoto-gal wytworzone na podłożu.
PL 225 326 B1
O ile kulki tego typu są wykorzystywane jako katalizator w mechanizmie wzrostu VLS, to nie były stosowane jako element zarodkujący wzrost, w metodzie wzrostu z roztworu.
Przykładowy sposób składa się z dwóch etapów. Pierwszy etap polega na odpowiednim przygotowaniu półprzewodnikowego podłoża. W przykładowym sposobie jako podłoża użyto płytki z arsenku galu (ale może to być również krzem) o grubości 0,2 mm. Podłoże to wstępnie wygrzano przez 3 minuty w temperaturze 700°C w atmosferze gazu obojętnego - azotu, po czym na powierzchnię tego podłoża, metodą rozpylania katodowego, napylono cienką, 3 nm warstwę złota. Następnie podłoże z napyloną warstwą złota poddano wygrzewaniu w temperaturze 750°C przez 6 minut. Wygrzewanie to powoduje, że na powierzchni podłoża formują się eutektyczne kulki Au-Ga o różnych średnicach ale zwykle średnice te nie przekraczają 50 nm. Rozkład kulek jest spontaniczny, a ich ilość na gm wynosi około 2000. W drugim etapie przygotowuje się mieszaninę reakcyjną o pH równym 8,5. W tym celu do naczynia wlewa się wodę dejonizowaną, która spełnia rolę rozpuszczalnika i prekursora tlenu, (ale może to być także rozpuszczalnik alkoholowy) i rozpuszcza się w niej prekursor cynku, w postaci bezwodnego octanu cynku. Odpowiednie pH mieszaniny uzyskuje się po dokładnym wymieszaniu, poprzez strącanie wodorotlenku metalu jakim jest wodorotlenek sodu (lub potasu). W tak przygotowanej mieszaninie umieszcza się wcześniej przygotowane podłoża z uformowanymi na powierzchni kulkami eutektycznymi Au - Ga. Proces wzrostu nanostruktur prowadzi się przy ciśnieniu atmosferycznym, w temperaturze ~80°C bez przerwy mieszając roztwór.
W wyniku tak prowadzonego procesu, kulki z mieszaniny eutektycznej zarodkują wzrost nanosłupków ZnO tak, że struktury wyrastają na kulkach obrastając je dookoła. Proces wzrostu prowadzi się przez 30 minut.
Rezultatem procesu jest wytworzenie na powierzchni podłoża z arsenku galu nanosłupków ZnO o wysokości ok. 2 gm w kształcie graniastosłupów prawidłowych sześciokątnych. Otrzymane nanosłupki związane są z podłożem i mogą być wykorzystywane do praktycznych zastosowań typu sens orowego, fotowoltaicznego czy emisyjnego. Sposób według wynalazku nie wymaga stosowania wysokiej próżni, może być prowadzony na podłożach o dużych rozmiarach, jest szybki i prosty, przez co jest sposobem tanim, wydajnym i doskonale nadaje się do zastosowań na skalę przemysłową.
Claims (4)
- Zastrzeżenia patentowe1. Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO, na podłożu półprzewodnikowym zawierającym eutektyczne kulki zarodkujące wzrost, znamienny tym, że podłoże, korzystnie z arsenku galu zawierające złoto - galowe eutektyczne kulki katalizujące, umieszcza w mieszaninie reakcyjnej o wartości pH 7-12, przy czym mieszanina ta zawiera rozpuszczalnik i co najmniej jeden prekursor tlenu, i co najmniej jeden prekursor cynku, następnie mieszaninę tą podgrzewa się do temperatury 60-95°C, i bez przerwy mieszając, przy ciśnieniu atmosferycznym, przez co najmniej 5 minut prowadzi się wzrost nanosłupków ZnO.
- 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prekursorem tlenu jest woda.
- 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prekursorem cynku jest azotan cynku.
- 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prekursorem cynku jest octan cynku.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL398029A PL225326B1 (pl) | 2012-02-06 | 2012-02-06 | Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO na podłożach półprzewodnikowych |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL398029A PL225326B1 (pl) | 2012-02-06 | 2012-02-06 | Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO na podłożach półprzewodnikowych |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL398029A1 PL398029A1 (pl) | 2013-08-19 |
| PL225326B1 true PL225326B1 (pl) | 2017-03-31 |
Family
ID=58408231
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL398029A PL225326B1 (pl) | 2012-02-06 | 2012-02-06 | Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO na podłożach półprzewodnikowych |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL225326B1 (pl) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3703108A1 (en) * | 2019-02-26 | 2020-09-02 | Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk | Hydrothermal method of producing a cuo layer on a substrate |
-
2012
- 2012-02-06 PL PL398029A patent/PL225326B1/pl unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3703108A1 (en) * | 2019-02-26 | 2020-09-02 | Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk | Hydrothermal method of producing a cuo layer on a substrate |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL398029A1 (pl) | 2013-08-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tao et al. | The effect of seed layer on morphology of ZnO nanorod arrays grown by hydrothermal method | |
| Li et al. | Effect of substrate temperature on the growth and photoluminescence properties of vertically aligned ZnO nanostructures | |
| Zhang et al. | Polyvinylpyrrolidone‐Directed Crystallization of ZnO with Tunable Morphology and Bandgap | |
| Li et al. | Controllable growth of well-aligned ZnO nanorod arrays by low-temperature wet chemical bath deposition method | |
| Amin et al. | Influence of pH, precursor concentration, growth time, and temperature on the morphology of ZnO nanostructures grown by the hydrothermal method | |
| Baruah et al. | pH-dependent growth of zinc oxide nanorods | |
| Cha et al. | Preparation and characterization of α-Fe2O3 nanorod-thin film by metal–organic chemical vapor deposition | |
| Zhang et al. | Hydrothermal synthesis of ZnO Crystals: Diverse morphologies and characterization of the photocatalytic properties | |
| Rodrigues et al. | A review on the laser-assisted flow deposition method: Growth of ZnO micro and nanostructures | |
| Wang et al. | Large-scale preparation of chestnut-like ZnO and Zn–ZnO hollow nanostructures by chemical vapor deposition | |
| Hu et al. | Development of a wet chemical method for the synthesis of arrayed ZnO nanorods | |
| Lopez et al. | Synthesis of zinc oxide nanowires on seeded and unseeded gold substrates: Role of seed nucleation and precursor concentration | |
| Sun et al. | Position and density control in hydrothermal growth of ZnO nanorod arrays through pre-formed micro/nanodots | |
| PL225326B1 (pl) | Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO na podłożach półprzewodnikowych | |
| Mamat et al. | Controllable growth of vertically aligned aluminum-doped zinc oxide nanorod arrays by sonicated sol–gel immersion method depending on precursor solution volumes | |
| Husairi et al. | Photoluminescence properties of Zinc Oxide nanostructures on different substrates obtained by an immersion method | |
| Kim et al. | Growth and formation mechanism of sea urchin-like ZnO nanostructures on Si | |
| PL222013B1 (pl) | Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO na podłożu | |
| Chen et al. | Correlation between seed layer characteristics and structures/properties of chemical bath synthesized ZnO nanowires | |
| Sahoo et al. | Hydrothermal growth of single crystal ZnO nanorods on surface-modified graphite | |
| PL226487B1 (pl) | Hydrotermalny sposób wytwarzania nanosłupków ZnO na podłożu | |
| Burke et al. | Growth and process modeling studies of nickel-catalyzed metalorganic chemical vapor deposition of GaN nanowires | |
| Kim et al. | Free-standing ZnO nanorods and nanowalls by aqueous solution method | |
| Hussain et al. | On the decoration of 3D nickel foam with single crystal ZnO nanorod arrays and their cathodoluminescence study | |
| Liu et al. | Nanostructured ZnO films obtained by a basic erosion method |