streszczenie

Pojedyncze krystality nanoprzewodów beta- SiC o sześciokatnym przekroju były syntezowane przez

termiczne odparowanie mieszaniny proszków SiC, C, GaN w atmosferze argonu. Tak zsyntezowane

nanoprzewody badano za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej, skaningowej miroskopii elektronowej

(SEM)oraz transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM). Badania wykazały, ze nanoprzewody

beta- SiC zbudowane są z z rurek o przekroju sześciokąta. Na calej dlugości takiej nanorurki

występują węzły rozmieszczone zgodnie z kierunkiem wzrostu. (oznaczenie <111> okresla dowolny

krystalograficzny kierunek wzrostu a dla tej sieci regularnej jest to 111). Wzrost nanorurek SiC jest

kontroowany przez mechanizm para- ciecz- cialo stałe. Badano również właściwości związane z

emisja polową tych specyficznych nanoprzewodów, ustalono, że zakres emisji jest rzędu 10.1 V μm−1.

Wprowadzenie;

Jednowymiarowe półprzewodniki nanostrukturalne są ważnymi materiałami i keidyś mogą być

wykorzystywane do produkcji tranzystorów polowych o wysokiej wydajności (FET), ukladów

logicznych, pamięci trwałej, biosensorów. Synteza 1-wymiarowych materiałów przebiega ze

szczególna kontrola składu, morfologii. Istnieja różne techniki syntezy 1D nanomateriałów tj:

nanorurki, nanoprzewody, nanopaski.

SiC jesty półprzewodnikiem o szerokim paśmie wzbronionym (E=2,3eV w 300K), materialem o dobrej

wytrzymałości oraz dużej przewodności nawet w wysokiej temperaturze. Właściwości fizyczne SiC

sprawiają, że jest on dobrze zapowiadającym sie materialem do produkcji urzadzeń elektronicznych.

Dodatkowo nanoprzewody SiC wykazują dobre właściwości emisji polowej. Do tej pory udalo

się wytworzyc różne nanostruktury np: nanorurki, nanoprzewody, nanosfery, nanokable. Fakt,

ze zastosowanie nanostruktur może znacznie poprawić właściwości wielu urządzeń i rozwiązań

technologicznych, jest powodem duzego zainteresowania tymi materialami.

Eksperyment:

Przebieg eksperymentu: Synteze nanorzewodów SiC przeprowadzono w piecu indukcyjnym

skladającym się z rury kwarcowej i cylindra ogrzewanego indukcyjnie, wykonanego z grafitu o duzej

czystości, pokrytego warstwa termoizolacyjna z włókna weglowego, z rurami wlotowa i wylotowa na

górze i u podstawy. Tygiel grafitowy zawierający SiO (0.8 g), GaN (0.04 g) iproszek grafitowy (0,1g)

umieszczono w centralnej części cylindra. W rurze kwarcowej panowało ciśnienie 0,2 Tory ustalono

przepływ objętosciowy argonu 200Cm^3/min. Piec szybko się nagrzewa do ustalonej temperatury

1350stopni. Tygiel jest w piecu 1h.

Charakterystyka:

Po reakcji próbka chlodzi sie w temperaturze pokojowej. Produkty zostaną oznaczone metoda

proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej z promieniowaniem Cu K-alfa, skaningowej mikroskopii

elektronowej, oraz transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Pomiar emisji polowej preprowadzono

w komorze próżniowej pod ciśnieniem ∼5.0 × 10−7 Torr.

Wyniki:

Struktura i morfologia

Po syntezie, warstwa termoizolacyjna pokryta byla ciemno- zielonym materiałem przypominajacym

wełnę. Produkty zostaly zebrane i zbadane metoda XRD, wyniki przedstawia rysunek 1. Wszystkie

charakteryzuja strukture SiC, mniejsze piki pochodzą od defektów, wynikają z usterek. Morfologi

aproduktu zostala przeprowadzona za pomoca SEM, wyniki na obrazku 2. Rysunek 2 a pokazuje,

strukture jaką tworza nanoprety. Maja one średnice ∼80-300 nm i długości rzędu kilkuset

mikrometrów. Na rysunku 2b pokazane sa węzły na nanopretach SiC, a rysunki c-e pokazuja

te struktury w wiekszym powiększeniu SEM. Na rysunku „f” oraz „i” widzimy, ze wszystkie

nanoprzewody maja przekrój szesciakątny i zakonczone są charakterystyczna końcówką (rys g), na

rysunku h widzimy polączenie miedzy nanorurkami.

Struktura nanoprzewodów SiC oraz charakterystyka wg modelu para- ciecz- ciało stałe potwierdzają,

ze wzrost nanoprzewodów odbywa sie wg mechanizmu VLS.

Struktura i morfologia SiC byly badane za pomoca TEM. Rysunki 3 a i b pokazują wyniki analizy TEM,

widac nanoruki o dlugości 200nm. Wyniki pokrywaja sie one ze zdjciami SEM. Średnica węzłów

wzrastala okresowo wzdłuż całej długości nanoprzewodów. Te wieksze węzły widać wyraźnie na

rysunku 3 c, na rys d-f pokazano zakończenie nanorurek.

Chemiczna analiza składu metodą dsypersji energii promieniowania rentgenowskiego wykazala

obecność cząsteczek bogatych w gal. Analiza wykazala obecność wielu defektów. Zlokalizowano

je głównie w wiekszych węzłach, gdzie widac kumulacje i nakladanie sie defektów. Wynikają one z

lokalizujących się w węzłach naprężeń. Do zbadania mikrostruktury SiC- beta wykorzystano metody

SAED i HRTEM. Zdjecia SAED 4b i 4c pokazuja w powiększeniu „zakółkowane” ;) fragmenty ze

zdjęcia 4a. Obydwa wybrane fragmenty (chodzi dalej o te zakółkowane) mają taką sama orientacje

przestrzenna, co sugeruje, że wzrost nanoprzewodów podczas syntezy SiC- beta odbywal sie w

kierunku <111> czyli charakterystycznym dla układów regularnych. Na zdjęciach SAED dla nanorurki

widoczne sa niewielkie jasne plamy, natomiast na zdjęciach węzła obecne są równiez smugi. Te

jasne obszary to błędy i defekty, na zdjęciach widac, że są one zlokalizowane głównie w węzłach.

Powszechnie wiadomo, że pasma z dyfrakcji elektronowej ukladaja sie prostopadle do defektów

struktury, potwierdza to regularna strukture nanoprzewodow w kierunku <111>, ponieważ wiązka

elektronowa ustawia sie w kierunku ulozenia <110> (czyli prostopadlym do 111). Zdjęcia 4d-4f to

zdjęcia HTRM. Na rysunku 4 e i 4f mamy pokazane zblizenie zakółkowanego fragmentu z 4d. Rysunek

4e pokazuje odleglośc 0,25nm , ktora odpowiada sześciennej strukturze beta- SiC. Jak widac na

obrazie nanoprzewodu (rdzeń bez tych węzłów) nie występują żadne defekty struktury. Zauważalne

sa natomiast w węźle.

Mechanizm wzrostu

Mechanizm wzrostu nanoprzewodów SiC - beta opisuje mechanizm VLC. Wzrost krystalu nastepuje

poprzez powolna adsorpcję gazu na powierzchni ciała stalego. Analizy SEM i TEM potwierdzaja, ze

nanoprzewody są połączone, co potwierdza, że synteza zachodzi wg VLC. Poza tym nanoprzewody

siC są szeroko rozmieszczone (80- 300nm),a ich średnice odpowiadają wielkości cząsteczek Galu

obecnych w zakonczeniach przewodów. Jest to kolejna cecha metody VLC. Caly proces wzrostu

mozna przedstawić za pomocą reakcji:

Reakcja jest wysokotemperaturowa. Gal powstaje z rozpadu GaN i może wystepować w postaci

malych klastrów cieczy. Klastry Ga sa transportowane przez gaz nośny w obszar o nizszej

temperaturze i osadzaja się na ścianach tygla w postaci kropelek. W tym samym czasie staly SIO

odparowuje i gazowy SiO reaguje z proszkeim grafitowym tworząc klastry SiC. Klastry SiC będą

sie stale wytrącac z kropelek galu. Z tego powodu wyzwalajaca się wciąż energia sprezysta bedzie

powodowacpowstawanie defektów, nakladajacych sie na siebie i w efekcie powstawac będą wezły

na nanoprzewodach. Interesujace jest to, ze tk syntetyzowane nanoprzewody maja przekroj

szesciakąta. Wyjaśnia się to w oparciu o charakterystyke krystalograficzną. Przestrzenie w SiC-beta

wynoszą F Ż43m.?? Model strukturalny przedstawiony jest na rys 5a. Patrzac w zdluż kierunku 111

model mozna zilustrowac rysunkiem 5b. Więc skoro kierunek wzrostu nanoprzewodu to <111>, to 6

krawedzi sześciokąta bedzie sie ukladalo zgodnie z kierunkiem <220>, jak pokazuja rysunki 5c i 5d.

Badania wykazaly, ze parametry syntezy takie jak czas, temperatura, substrat mają ogromny

wplyw na proces, zw aszcza na tempo wzrostu i morfologie nanomaterialu. Podczas syntezy SiC-

beta stwierdzono , że temperatura rowniez bardzo wplywa na proces. Nanoprzewody moga być

syntetyzowane w temperaturze 1350- 1400 st. Jezeli temperatura jest nizsza niz 1300 proces nei

zajdzie. Jeżeli synteza przebiega w wyzszej temperaturze otrzymamy mikroprzewody. Obrazek

6 mikroprzewod o srednicy od 500nm do 1mikrometra i dlugosci od kilkudziesieciu do kilkuset

mikrometrow. Na proces ma wp yw równiez zrodlo wegla wzietego do syntezy. Rysunki 6 c i 6d

pokazuja produkt syntetyzowany za pomoaca nanorurki weglowej jako zrodla wegla. Produkt ma

srednice ok 100nm i dlugosc od kilku do kilkudziesieciu mikrometrów.

W asciwości emisji polowej

Wyznaczono charakterystyke napieciową dla emisji polowej (FE). Caly uklad pomiarowy skadal

sie z komory prózniowej, panujace tam cisnienie wynosilo od ∼5.0 × 10−7 Torr. Miedziana

sonda o srednicy 1 mm^2 odgrywala rolę anody, nanoprzewod SiC - katody. Plytka kzremowa

wykorzystywana byla jako podloze do FE. Napięcie wzrastalo od 0- 1100V co 20V. Rysunek 7

przedstawia zależnosc gęstości pradu od przylozonego pola miedzy anoda- katoda na odleglosci 100

mikrometrow. Okreslono energie na wejsciu i energie progową. Okazalo sie, ze energia dla SiC - beta

jest nizsza niz dla nanoprzewodow o jednolitych srednicach. W porownaniu z konwencjonalnymi

nanoprzewodami o srednicy kola, nanoprzewody SiC - beta maja przekroj szesciokatny. To moze

byc powodem efektywniejszej emisji elektronow. To sugeruje ze nanoprzewody SiC- beta maja

lepsze wlasciwosci emisji polowej. Poza tym jezeli zalozyc, ze bledy w strukturze mają wpływ na

charakterystyke FE, tozmniejszenie defektow moze umozliwic emisje elektronow przy nizszym

napięciu. Ponadto okazalo sie ze nanoprzewody syntetyzowane z nanorurek weglowych maja srednice

100nm i dlugosc kilkudziesieciu mikrometrow, natomost nanoprzewody SiC-beta srednice od 80-

300nm i dlugosc kilkuset mikrometrow. Oznacza to ze dla SiC- beta stosunek tuych wielkosci jest

bardzo wysoki, co znaczeni zwieksza emisje elektronow.

Wykres FN czesto prezentowany w literaturze pokazany jest na rys 7. Pokazuje 2 rodzaje liniowe

zaleznosci otzrymane podczas pomiaru.

Wcześniejsze sprawozdania wyjaśnialy , że spowodowane sa prądem nasycenia, związanym z

adorbowaniem adsorbatu przy zwiekszonym nateżeniu lub efektem ladunku przestrzennego. Jednakze

w niniejszej pracy zauwazono ze nachylenie w nizszym polu jest dodatnie lub nawet spada do zera.

Nie jest to zgodne z klasyczna teoria FN.

Wnioski

Podsumowując SiC- beta udalo sie zsyntezowac w procesie VLC. Składaja sie z rurki i osadzonych na

niej wezlach zgodnie z kierunkiem wzrostu nanoprzewodu. Badania potwierdzily ze nanoprzewod

jest wolny od wad, defekty pojawiaja sie w węzlach. W pomiarach dla emisji polowej wyznaczono

natezenie 10.1 V μm−1. Doskonale wlasciwosci emisji polowej sugeruja ze SiC- beta jest

doskonalym materialem do produkcji wielkopowierzchniowych emiterow elektronowych.

---