Синтез нанокристаллов разрядами в жидком азоте из Si

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 17477 (2015) Цитировать эту статью

1687 Доступов

14 цитат

Подробности о метриках

Исследована возможность синтеза нанокристаллов кремний-олово разрядом в жидком азоте с использованием спеченного электрода Si-10 ат. % Sn. Оптическая эмиссионная спектроскопия с временным разрешением показывает, что кремний и олово плавятся почти одновременно. Наличие обоих паров приводит не к синтезу сплавленных нанокристаллов, а к синтезу отдельных нанокристаллов кремния и олова со средними размерами 10 нм. Эти нанокристаллы превращаются в аморфный оксид кремния (am–SiO2) и β–SnO2 путем окисления воздухом после испарения жидкого азота. Синтез фазы am-Si0,95Sn0,05 вокруг крупных кристаллов кремния (~500 нм), декорированных сфероидами β-Sn, достигается при достаточно высоком токе, протекающем через электроды. Когда на спеченный электрод воздействуют мощные разряды, некоторые зерна нагреваются и олово диффундирует в крупные кристаллы кремния. Далее эти зерна шелушатся и попадают в диэлектрическую жидкость.

Нанокристаллы Si-Sn (НК) имеют большой потенциал для литий-ионных батарей1 и фотогальванических элементов2. Прямой рост сплавов Si–Sn зачастую затруднен из-за большой разницы в константах решетки (~20%) Si и α–Sn и низкой растворимости Sn в Si (~6–8 · 1019 см–3, т.е. ~0,15 ат% при 1100–1200 °С)3. При высокой концентрации Sn равновесный сплав Si–Sn представляет собой двухфазную смесь, состоящую из алмазоподобной фазы Si и фазы Sn, которая переходит от алмазоподобного α-Sn (серое олово) к тетрагональному β-Sn (белое олово). олово) при 286,3 К (13,2 °С).

Оптическая запрещенная зона НК Si-Sn будет прямой, а не косвенной, как в кремнии, и ее можно будет настраивать, поскольку она зависит как от содержания олова, так и от размера НК. Согласно Jensen et al.4, при деформации растяжения 2,2% запрещенная зона становится прямой с величиной 0,85 эВ. Увеличение содержания олова до 25 ат. % практически линейно уменьшает запрещенную зону5, одновременно уменьшая размер НК. Для применения в фотогальванике, а также в оптоэлектронике4,5 такой материал найдет широкое применение благодаря возможности точно настраивать энергетические уровни и оптоэлектронные свойства с помощью комбинированных эффектов за счет легирования кремнием и квантового ограничения.

Недавно синтез НК Si-Sn, обладающих свойствами квантового ограничения, был достигнут путем наносекундной лазерной абляции в воде аморфной мишени Si-Sn2. Лазерная абляция в жидкостях (ЛАЛ) обычно достигает выходов ~100 мг/ч. Использование электрических разрядов в жидкостях могло бы увеличить их до 100 гч-1.

Погруженные дуги, генерируемые в жидкости6,7,8,9,10,11, характеризуются пространственным ограничением при очень высоком давлении, что может способствовать росту НК сплава путем химической реакции. На практике оказывается, что при использовании двух электродов из разных материалов образуются НК каждого типа материалов, но сплава не образуется12. Спеченные мишени в этом случае предпочтительнее для получения легированных НК13,14. С помощью этого метода можно создать условия плазмы, очень похожие на условия нс-лазерной абляции, но при этом значительно повысить производительность. Еще одно преимущество заключается в лучшем контроле и знании условий плазмы, что также может помочь лучше понять, как формируются эти НК.

В этой рукописи мы исследуем возможность синтеза НК Si-Sn разрядами в жидком азоте, который является бескислородным сильным диэлектриком. Помимо характеристики НК, оптическая эмиссионная спектроскопия с временным разрешением используется для исследования динамики плазмы и ее корреляции с результатами материала. Особое внимание уделено эрозии мишени и механизмам, которые могут привести к синтезу НК SiSn.

При удалении синтезированных продуктов из жидкого азота окисление воздухом способствует превращению металлических или полупроводниковых НК в оксиды (SnO2, SiO2 и (Si1–xSnx)O2). Окисление происходит относительно быстро, и нам не удалось его избежать.