Si의 액체질소 방전에 의한 나노결정 합성

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 17477(2015) 이 기사 인용

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액체 질소 내 방전에 의한 실리콘-주석 나노결정의 합성 가능성은 Si-10 at% Sn 소결 전극을 사용하여 연구되었습니다. 시간 분해 광학 방출 분광법은 실리콘과 주석이 거의 동시에 녹는다는 것을 보여줍니다. 두 증기의 존재는 합금된 나노 결정의 합성으로 이어지는 것이 아니라 평균 크기가 10 nm인 실리콘과 주석의 개별 나노 결정의 합성으로 이어집니다. 이러한 나노결정은 액체 질소가 증발한 후 공기 산화에 의해 비정질 산화규소(am-SiO2)와 β-SnO2로 변환됩니다. β-Sn 타원체로 장식된 대형 실리콘 결정(~500 nm) 주위의 am-Si0.95Sn0.05 위상의 합성은 전극을 통해 흐르는 전류가 충분히 높으면 달성됩니다. 소결 전극에 강력한 방전이 가해지면 일부 입자가 가열되고 주석이 큰 실리콘 결정으로 확산됩니다. 다음으로, 이러한 입자는 껍질을 벗기고 유전체 액체에 떨어집니다.

Si-Sn 나노결정(NC)은 리튬 이온 배터리1 및 광전지2에 대한 큰 잠재력을 가지고 있습니다. Si-Sn 합금의 직접적인 성장은 Si와 α-Sn의 격자 상수(~20%)의 큰 차이와 Si에 대한 Sn의 낮은 용해도(~6-8 × 1019cm-3, 즉, 1100~1200°C에서 %에서 ~0.15)3. 높은 Sn 농도에서 평형 Si-Sn 합금은 다이아몬드 같은 Si 상과 다이아몬드 같은 α-Sn(회색 주석)에서 정방정의 β-Sn(백색)으로 변환되는 Sn 상으로 구성된 2상 혼합물입니다. 주석) 286.3K(13.2°C)에서.

Si-Sn NC의 광학 밴드 갭은 실리콘처럼 간접적이지 않고 직접적이며 주석 함량과 NC 크기에 따라 달라지므로 조정될 수 있습니다. Jensen et al.4에 따르면 2.2% 인장 변형률에서 밴드 갭은 0.85eV 크기로 직접적으로 변합니다. 주석 함량을 25%까지 증가시키면 밴드갭이 거의 선형적으로 감소하는 반면5 NC 크기는 감소합니다. 광전지 응용 분야와 광전자 분야4,5에서 이러한 재료는 Si 합금 및 양자 구속으로 인한 결합 효과에 의해 에너지 수준과 광전자 특성을 정확하게 조정할 수 있는 가능성 덕분에 폭넓게 활용될 수 있습니다.

최근 양자 구속 특성을 나타내는 Si-Sn NC의 합성은 비정질 Si-Sn 타겟의 물에서 나노초 레이저 제거를 통해 달성되었습니다. 액체 레이저 제거(LAL)는 일반적으로 ~100 mg h−1의 수율에 도달합니다. 액체의 방전을 이용하면 최대 100gh−1까지 증가할 수 있습니다.

액체6,7,8,9,10,11에서 생성된 수중 아크는 매우 높은 압력으로 공간적 제한을 특징으로 하며, 이는 화학 반응에 의해 합금 NC의 성장을 허용할 수 있습니다. 실제로 서로 다른 재료를 가진 두 개의 전극을 사용하면 각 재료 유형의 NC가 생성되지만 합금은 형성되지 않는 것으로 나타났습니다. 그러면 합금된 NC를 얻기 위해 소결된 타겟이 선호됩니다. 이 기술을 사용하면 ns 레이저 절제와 다소 유사한 플라즈마 조건을 생성할 수 있으며 그럼에도 불구하고 생산 수율은 크게 향상됩니다. 또 다른 장점은 플라즈마 조건에 대한 더 나은 제어 및 지식에 있으며, 이는 이러한 NC가 어떻게 형성되는지 더 잘 이해하는 데도 도움이 될 수 있습니다.

이 원고에서는 산소가 없는 강유전체인 액체 질소에서의 방전을 통해 Si-Sn NC를 합성할 수 있는 가능성을 탐구합니다. NC의 특성화 외에도 시간 분해 광학 방출 분광법은 플라즈마의 역학을 조사하고 이를 재료 결과와 연관시키는 데 사용됩니다. SiSn NC의 합성으로 이어질 수 있는 표적 침식 및 메커니즘에 특별한 주의가 기울여집니다.

합성된 생성물이 액체 질소에서 제거되면 공기 산화가 금속 또는 반도체 NC를 산화물(SnO2, SiO2 및 (Si1-xSnx)O2)로 변환하는 데 기여합니다. 산화는 상대적으로 빠르며 우리는 이를 피할 수 없었습니다.