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ゾルゲルシーディングとコロイドリソグラフィーパターニングを用いた垂直配向ZnOナノロッドの合成

要約

低コストの化学浴堆積を使用して、さまざまなZnOナノ構造を成長させることができます。この手法は費用効果が高く柔軟性がありますが、最終的な構造は通常ランダムに配向されており、均一性と面密度の点でほとんど制御できません。この作業では、コロイドリソグラフィーを使用して(100)シリコン基板をパターン化し、ナノロッドの形態と密度を完全に制御します。さらに、ゾルゲル法で調製したZnOシード層を使用して、シリコン基板とZnOナノロッド間の格子不整合を補正しました。結果は、シード層に堆積されたパターン化されたレジストマスクの指定された開口部で、制御可能な直径と密度を備えた垂直に整列したZnOナノロッドの成長に成功したことを示しています。私たちの方法は、高結晶品質の垂直に秩序化されたZnOナノロッドがデバイスの性能にとって重要である最適化されたデバイスを製造するために使用できます。

はじめに

ナノ構造の寸法、配置、および密度に関して望ましい正確なナノ材料アーキテクチャを実現する能力は、ほとんどの高度なナノデバイスにとって非常に重要です。これを達成するための実行可能なルートの1つは、トップボトムパターン化手法と自己組織化ボトムアップ成長法を組み合わせることです。

最も広く研究されている半導体の1つである酸化亜鉛(ZnO)は、自己組織化オプトエレクトロニクスナノデバイスの優れた可能性を示しています。この文脈でのZnOの重要な特性の中には、単純な成長手順、3.2〜3.4 eVの広い直接バンドギャップ、60 meVの大きな励起子結合エネルギー、および高い機械的および熱的安定性があります[1]。化学蒸着(CVD)[2]、パルスレーザー蒸着(PLD)[3]、気液固(VLS)成長[4]などのさまざまな高温成長技術、および以下を含む低温成長技術電着[5]および化学浴堆積(CBD)[6]は、多数のZnOナノ構造を成長させるために使用されてきました。これらすべての成長技術の中で、CBDはその単純さ、費用効果、および大面積の適用性のために、より有利です。

一次元(1D)ウルツ鉱型ZnOナノロッド(ZnO NR)は、その興味深い基本的な電子的および機械的特性と、新しい電子機器[6]、フォトニクス[7]の大きな期待により、過去20年間で大きな関心を集めてきました。 、電気化学[8]およびクリーンテックアプリケーション。 CBDを使用したZnONRの成長は、基板の結晶学的表面品質に大きく依存します。これまでに最も頻繁に使用された2つの基板は、i)単結晶格子整合基板(単結晶ZnO [9]、Al 2 O 3 [10]およびGaN [11])薄いヘテロエピタキシャルZnO膜、およびii)適切な核生成サイトを提供するためにテクスチャシード層でプレコートされた非エピタキシャル基板[12]。単結晶基板は一般に大幅に高いNR成長品質をもたらしますが、基板コストが高いため、その用途が制限されます。逆に、テクスチャード加工された多結晶シード層を備えた低コストの非エピタキシャル基板上でのNRの成長は、ランダムに配向されたNR成長につながります。

多くの高性能デバイスアプリケーションでは、NR面密度、横方向の順序付け、および垂直方向の位置合わせの正確なエンジニアリングが非常に重要です。 CBDによるNRの成長は、溶液濃度[13]、温度[14]、pH [15]、堆積時間などの成長パラメーターを制御することにより、基板上のNRアーキテクチャを設計するためのいくつかの簡単な方法を提供します。残念ながら、これらの成長パラメータのいずれかを変更すると、通常、NR成長結果に望ましくない変化が生じます。このため、これまでのところ、基板のパターニングは、ZnO NRの位置、密度、および整列を制御するための最も効果的な方法です。報告された研究の大部分では、基板のパターン化には次のステップが含まれます:基板の準備と洗浄、マスクレジスト層の堆積、選択的領域成長のためのリソグラフィによるレジスト層の穴の開放、および穴のNRのCBD成長。

過去10年間、秩序だった垂直ZnONRアレイを成長させるためにさまざまな努力がなされてきました。これらの研究の大部分では、同じCBD技術を使用して、著者は2つの主要な処理ステップに焦点を当てています。適切な基板の準備と、電子ビームリソグラフィー(EBL)、レーザー干渉リソグラフィー(LIL)などのさまざまなパターン化技術の使用です。 )、およびナノインプリントリソグラフィー(NIL)。王ら。 EBLパターン化された多結晶ZnOコーティングされたSiおよびGaN基板上で垂直に整列したZnONRの非エピタキシャル成長を実証しました[11]。その後、彼らは、LILによってパターン化されたGaN基板上での完全に整列したヘテロエピタキシャルZnONR成長について報告しました[16]。高価なZnOおよびGaN基板を低コストのSiまたはガラス基板に置き換えるために、彼らは30 µmの厚さのテクスチャZnO層を平坦な(0001)ZnOシード層として使用することに成功しました。一連の記事で、Volk etal。 EBLによってパターン化された単結晶ZnO基板上でZnONRのホモエピタキシャル成長を成功裏に実行しました[10、17、18、19]。異なるパターン化された基板の影響[10]、ZnO基板のZn終端対O終端表面[17]、スパッタされた多結晶ZnO薄膜[18]、および原子層堆積(ALD)によって堆積されたZnOシード層[19] CBDで成長させたZnONRの品質については深く研究されています。別のアプローチでは、PLDを使用して単結晶Al 2 上にZnOシード層をヘテロエピタキシャル成長させました。 O 3 (0001)基板、続いてNILパターニング[20]。 CBDのZn濃度ウィンドウとそのZnONR形態への影響についての詳細は、同じ記事で説明されています。 EBLパターニングと電気化学的堆積を使用した、Si(111)、GaAs(111)、InP(111)などのさまざまな基板上でのZnONRの選択的面積成長も報告されています[21]。

レビューされたすべての参考文献で、単結晶ZnO基板上でのZnO NRの成長は最高の結晶品質をもたらし、他の高価な単結晶基板上の薄い多結晶ZnO層でのコーティングは、優れた垂直配向ZnONR成長をもたらします。 ZnO NRの選択的成長に、EBLなどの高度なパターニング技術を採用することも、最終製品のコストに、したがって潜在的なアプリケーションに本質的な影響を及ぼします。垂直に整列したZnONRアレイの製造におけるパターン定義と高価な基板に関連する複雑な問題を克服するために、Si基板上に簡単に準備された非常に均一な薄いZnO NPフィルムをコロイドリソグラフィー(CL)パターニングと組み合わせることを提案します。

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[22]で説明されているゾルゲル法を使用して、Siやガラスを含むほぼすべての基板上に多結晶ZnONPの非常に均一で高密度で薄いシード層を作成できます。基板上にZnONP分散液をスピンコーティングすると、通常はNPクラスターの非連続分散アイランドが発生します[23]。これとは対照的に、ゾルゲル法では、薄く(数十nm)連続して非常に均一になります。 ZnONPの層。選択領域のCBD成長のために、ポリマーレジスト層が続いてZnOシード層上にスピンコーティングされ、CLによってパターン化されます。 CLは、低コストのリソグラフィー手法であるだけでなく、大規模なウェーハスケールのエリアパターニング、高スループット、およびあらゆる基板との互換性にも適しており、フィーチャサイズとピッチの優れた制御を提供します[24、25、26]。

図1は、現在の作業で使用されている処理と成長のステップの概略図を示しています。 Si基板をZnONPシード層でディップコーティングし、レジストでスピンコーティングした後、直径140 nmのポリスチレンナノビーズ(PS-NB)の単分子層をレジストマスク上に堆積させ、熱で覆った。 30nmの厚さのAl膜を蒸着しました。蒸発後、AlコーティングされたPS-NBはテープストリッピングによって除去され、Alフィルムに開いたナノホールが残りました。 ZnO NPシード層までの穴のレジストをドライエッチングして、成長マスクの準備を完了しました。 CL後、CBDを使用して、直径、長さ、面密度が適切に制御された垂直に整列したZnONRを成長させました。 CLとCBDは、ITOガラス基板上のマイクロメートルサイズの領域でZnO NRを成長させるために以前に展開され、成長したNRの大規模な制御されていないバッチをもたらしました[27]が、本研究は、私たちの知る限り、最初に選択的であることが実証されましたゾルゲル法で作製したSi基板上のCLパターンマスクにおける単一の垂直配向ZnONRの成長。結果は、広いウェーハスケール領域でのナノホールの均一な分布と、簡単で制御可能なCBD技術を使用した垂直ZnONRの均一な成長を示しています。

垂直に整列したZnONRアレイを合成するための製造プロセスステップの概略図。 a ZnO NPシード層、ポリマーレジスト層、およびPS-NBでコーティングされた基板。 b Alマスクの熱蒸発。 c テープストリッピングによるAlコーティングされたPS-NBの取り外し。 d レジストのドライエッチング。 e Alマスクのウェットエッチング。 f パターン化されたレジストテンプレートの穴での選択的なZnONR成長

メソッド

資料

この作業で使用されたすべての化学物質はSigma-Aldrichから購入し、さらに精製することなく使用しました。水中の平均直径140±5nmのPS-NBの懸濁液は、ドイツのmicroParticlesGmbHから購入しました。

ZnONPシード層の準備

ZnO NPゾルゲル溶液は、[22]に従って、8.25 gの酢酸亜鉛(Zn(CH 3 COO) 2 ・2H 2 O)および最終濃度375mMの純粋なエタノール100ml中のモノエタノールアミン(エタノールアミン)2.26ml。溶液をホットプレート上で60°Cで10時間、次に室温で一晩撹拌しました。 2インチの高濃度にドープされたn型Si(100)ウェーハは、アセトン、イソプロパノール、およびDI水中での連続超音波処理によって洗浄され、続いてホットプレート上で120°Cで5分間乾燥されました。洗浄したSi基板をZnONPゾルゲル溶液に浸し、コンピューター制御のディップコーターを使用して30 mm / sの一定速度で引き出しました。最後に、ホットプレート上で300°Cで10分間アニーリングして、残留有機物を除去し、ZnONPの結晶化度を改善しました。層の均一性と表面被覆率を高めるために、ディップコーティングとアニーリングのステップを2回繰り返しました。

CLによるシードサンプルのパターン化

CLは、犠牲PMMA(ポリ(メチルメタクリレート)、 M )で構成される2層レジストで実行されました。 W =950 k)電子ビームレジストとポジティブMICROPOSITS1805フォトレジスト。最初に、トルエン中のPMMAの4 wt%溶液0.3 mlを、シードされたサンプルに4000 rpmで30秒間スピンコーティングし、続いて170°Cで10分間ソフトベークしました。続いて、0.3mlのS1805を4000rpmで30秒間サンプルにスピンコーティングし、続いて110°Cで90秒間ソフトベーキングし、145°Cで5分間ハードベーキングしました。次に、サンプルをUVオゾンで5分間処理し、表面の親水性を改善しました。次に、PDDA(ポリ(ジアリルジメチルアンモニウム)、 M )の0.2 wt%溶液1mlを処理しました。 W =(200–350)k)のDI水中をサンプル表面にピペットで移しました。 1分後。沈降したら、サンプルを脱イオン水で完全にすすぎ、N 2 でブロー乾燥しました。 。 PDDAの正に帯電した単分子層は、次のステップで負に帯電したPS-NBの表面への静電接着を保証します。その後、DI水中のPS-NBの0.1 wt%懸濁液1mlをサンプル表面に滴下しました。 1分後。沈降したら、サンプルを脱イオン水で穏やかにすすぎ、N 2 でブロー乾燥しました。 。 30 nmの厚さのAl層を、金属エッチングマスクとしてビーズサンプル上に熱蒸着しました。蒸発後、アクリルシリコンフリーのUltron 1009Rテープを使用したテープストリッピングにより、AlコーティングされたPS-NBを除去しました(図1c)。反応性イオンエッチング(RIE、圧力150 mTorr、O 2 流量40sccm、RF電力60 W、エッチング時間90秒)を使用して、レジスト層をZnO NPシード層までエッチングしました(図1d)。最後に、露出したZnO NPシード層をエッチングせずにAl金属マスク(図1e)をウェットエッチングするには、水酸化カリウム(KOH)とヘキサシアノ鉄酸カリウムIII(K 3 )の特定の溶液を使用します。 Fe(CN) 6 )それぞれ30mMと50mMの濃度のDI水中で使用されました[28]。ウェットエッチングは、室温で1分間行いました。製造ステップの走査型電子顕微鏡(SEM)および原子間力顕微鏡(AFM)の画像は、追加ファイル1:図S1およびS2に記載されています。

CLパターン化サンプルのZnONRのCBD

50 mM硝酸亜鉛六水和物(Zn(NO 3 2 ・6H 2 O)および100mlのDI水中の50mMヘキサメチレンテトラミン(HMT)を調製して、ZnONRを成長させました。パターン化されたシード基板は、オーブン内で95°Cで2時間、成長溶液中で逆さまに保たれました。成長が完了した後、サンプルを室温まで冷却し、溶液から取り出し、DI水ですすいだ(図1f)。

結果と考察

ZnOシード層

結晶化度の高い、よく整列した垂直ZnO NRの成長は、シード層の品質に依存します。このために、大きな粒子サイズと最適な結晶方位を備えた滑らかなシード層を開発しました。調製されたZnO NPシード層は、AFMおよびX線回折(XRD)分析を使用して、表面粗さおよび結晶構造に関して調査された。図2のAFM画像は、上で説明したように、ディップコーティングを繰り返した後のシード層の均一性と滑らかさの大幅な改善を示しています。ゾルゲル溶液にSi基板を一段階ディップコーティングした後、厚さ21±5nm、RMS粗さ1.2 nmのZnONP層(図2a)がSi表面に形成されました。ディップコーティングを繰り返すと、粒界でのRMS粗さが0.9nmのより滑らかな40±5nmの厚さのZnONP層が得られました(図2b)。各ディップコーティングステップの後に、300°Cで10分間のアニーリング処理が行われ、NPが一緒に焼結されてより大きな結晶粒径になりました。

a 後のゾルゲル法によりSiウェーハ上に作製されたZnONPシード層のAFM画像 1つおよび b それぞれ2段階のディップコーティングと、その後の各コーティング後の300°Cでのアニーリングステップ。多項式の背景がAFM画像から差し引かれています

3つの要因が主にAFM画像で観察される結晶粒界に影響を与えます:(1)ディップコーティングステップの数に比例するZnOシード層の厚さ、(2)温度と後続のアニーリングステップの期間、および( 3)結晶構造に存在する不純物またはドーパント。 ZnO層の厚さを増加させることによって、より大きな粒子サイズが達成されることが示されている[29、30]。また、より高い温度でより長い時間のアニーリングは、小さな粒子のより良い焼結および増加した粒子サイズにつながる。さらに、合成プロセス中に意図しない不純物が存在したり、ZnOシード層にドーパントを追加したりすると、粒子サイズが小さくなります[31]。私たちのサンプルは意図的にドープされていませんが、ゾルゲル溶液にモノエタノールアミンが存在すると、アニーリング中に不純物が導入され、粒子サイズが小さくなる可能性があります。結晶粒ゾーンは、CLに使用される直径140nmのPS-NBよりも比較的大きくなっています。その結果、粒界のない単結晶粒子の上の穴にZnONRが成長する可能性が高くなります。

垂直に整列したZnONRを成長させるには、(002)配向のZnOシード層が望ましい。図3のXRDの結果は、1段階および2段階のディップコーティングされたシード層の結晶構造と配向を示しています。両方のサンプルで、多結晶ZnOシード層は(100)、(002)、および(101)の結晶面配向を示します。多結晶ZnONPの自己形成プロセスは、以前により詳細に研究されてきました[5、32]。 2回目のディップコーティングとアニーリング処理を適用すると、以前のレポート[29]と一致して、(100)面と(002)面によって生成される統合XRDピーク面積の比率が増加しました。ディップコーティングプロセスを繰り返すと、シード層の滑らかさと粒子サイズが向上しますが、(100)面の存在が増えるため、結晶構造はZnONRの成長に不利になります。

裸のSi基板と(100)Si基板上にディップコーティングによって堆積されたZnONPシード層のXRD回折パターン。各ディップコーティングの後に、300°Cで10分間のアニーリングステップが続きます

CLのパターン化とZnONRの成長

ZnOシード層の堆積の直後に、選択した領域のCLパターン化が行われました。図4aは、RIEエッチングとAl除去後のCLパターン化レジスト層のSEM画像を示しています。均一で大面積のCLパターンが、ZnOシードSi基板上に明確に示され、ナノホールの表面密度は4.2ナノホール/ µm 2 直径分布は190nmを中心にしています(図4b)。最終的なナノホールの直径は、PS-NBの直径よりも36%大きいことがわかりました。これは、レジスト層の90年代のRIEに起因します。ナノホールの直径は、別のPS-NBサイズを選択することで簡単に調整できます。ここでは、CBDによる各ナノホールでの単一のZnO NR成長を確実にするために、最適化された140nmのビーズサイズを選択しました。より小さなPS-NBサイズを使用すると、疎水性のパターン化されたレジストへの成長溶液の流れが不十分になるため、CBDの成長がより困難になります。代わりに、より大きな直径のPS-NBを使用すると、各ナノホールでZnO NRのクラスターが望ましくなく成長します[21、27、33]。

a RIEエッチングとAlウェットエッチング後の、ZnONPシードSi基板上に直径140nmのPS-NBを使用したCLパターン化レジスト層のSEM画像。 b レジスト層にエッチングされたナノホールの直径の分布。 c パターン化されたナノホールの動径分布関数。平均ナノホールは392nmの間隔に隣接しています

ナノホールの特徴サイズに加えて、分散したPS-NB間の平均距離を制御することにより、パターンのピッチを調整することもできます。負に帯電したPS-NBは、静電正味反発力によって表面に分布します。これは、PS-NB間の静電反発力をスクリーニングすることで制御できます。これは、以前に文献で詳細に報告されているように、PS-NB懸濁液に制御された量の塩を加えることによって行われました[25、26]。ここでは、代わりに、ナノホールの表面分布に対するPS-NB濃度の影響を検討しました。上記の0.1wt%PS-NB懸濁液に加えて、0.02 wt%、0.01 wt%、0.003 wt%の3つの低濃度を使用して、CLパターンのサンプルを作成しました。追加ファイル1:図S4は、NB濃度を上記の値に下げると、ナノホールの表面密度が3.2、1.5、および0.4ナノホール/ µm 2 になることを示しています。 、 それぞれ。興味深いことに、さまざまなサンプルのナノホールの動径分布関数(RDF)(図4cおよび追加ファイル1:S4d)は、PS-NB間の正味の力によるナノホールの分布の短距離秩序を示しています。 CLプロセス。さまざまなPS-NB濃度について抽出された一次ピーク位置から、PS-NB濃度がそれぞれ392 nm、374 nm、336 nm、および298 nmに減少すると、隣接するナノホールへの平均ナノホール分離が直感に反して減少することが抽出されました。このことから、追加ファイル1のSEM画像に見られるように、PS-NB濃度が低いと、ナノホールの分布が均一でなくなると結論付けることができます。

CLパターン基板上でのZnONRの成長メカニズムをより詳細に調査するために、成長速度と成長時間の関係を調べました。図5aと5bは、それぞれ5分後と25分後のZnONR成長の初期段階を示しています。最初に、露出した開いたシード穴は、ランダムな結晶配向を持つ成長溶液の濡れ層テンプレートを形成し、ZnONRのCBDの核形成サイトを提供します。複数のZnONRは、核サイトからランダムな方向に沿ってエピタキシャル成長します(図5a)。ナノホール壁は、大きな偏角を持つNRの成長を制限し、図5bに示すように、垂直に近い方向を持つ少数のNRのみが成長を続けます。

a の成長時間後の(100)Si基板上のCLパターン化ZnONPシード層上のCBD成長ZnONRの断面SEM画像 5分、 b 25分、 c 2時間および d 45°傾斜で2時間

CBDプロセスを継続することにより、ナノホールは短いオフ方向のNRスタブで埋められ、パターン化されたレジスト層からわずかなNRだけが成長します。十分に高い成長温度(私たちの実験では95°C)では、各ナノホール内のいくつかのほぼ垂直なZnO NRが融合し、以前のレポート[11]と一致して各開口部から成長する単一のNRを形成します。大規模なウェーハスケールのサンプルで得られた最適なZnONRアレイを図5cおよび5dに示します。

垂直NRアライメントを定量化するために、同様の非パターン化シード層とCLパターン化シード層でのZnONR成長のXRD分析を実行しました。図6は、CLパターンのサンプルではZnO(002)反射が支配的であることを示しており、ZnO NRc軸のアライメントが優れていることを示しています。対照的に、パターン化されていないサンプルは、垂直方向の整列が不十分なために、より顕著なZnO(100)および(101)反射を示します。さらに、CLパターン化されたサンプル(図5c)とパターン化されていないサンプル(追加ファイル1:図S3a)のSEM画像の統計分析が実行されました。追加ファイル1の表面法線からの偏角の分布:図S3bおよびS3cは、パターン化されていないサンプルでそれぞれ18°、CLパターン化されたサンプルで13°の平均偏角を示しています。この結果は、CLパターンのサンプルでのZnO NRの成長が、パターンのないサンプルと比較してより良い垂直配向をもたらすという結論をさらに裏付けるものです。

同様の非パターン化およびCLパターン化シード層上のCBD成長ZnONRのXRD回折パターン

直径107nmおよび320nmのPS-NBを使用した2つの追加のCLパターン化サンプルを準備し、SEMで検査しました(追加ファイル1に追加された画像:図S5)。小さな107nmの直径のPS-NBは、ZnO NRの貧弱で不均一なCBDをもたらし、大きな320 nmの直径のPS-NBは、かなり均一ですが、複数の星型でランダムに整列したZnONRをもたらしました。この結果は、NRの直径に応じて、最適なナノホールサイズを選択することが、各ナノホールで単一の垂直に整列したZnONRを成長させるために重要であることを強く示しています。

最終的な最適なCBD成長ZnONRアレイの化学分析は、分散型X線分光法(EDS)を使用して行われました。空間EDSマップ(追加ファイル1:図S6)は、予想される元素O、Zn、Si、およびCの明確な存在を示しています。空間分解能の制限により、薄いZnOシード層は識別されませんでした。

最後に、図7に、単一のZnONRの空間分解カソードルミネッセンスマッピングを示します。カソードルミネッセンスの研究は、25 pAのプローブ電流で、5keVで動作する室温の専用SEMで実行されました。発光は、ハイパースペクトルモードのCCD検出器によって記録され、画像の各ピクセルに完全なスペクトルが記録されます。平均カソードルミネッセンス強度スペクトル(図7a)、および線に沿ったハイパースペクトルマップ(図7b)は、図7cに偽色の画像として表示されます。興味深いことに、NRの下部セグメントで、380nmにピークを持つ強い近帯域端発光が観察されました。それはさらに上に弱くなり、代わりに強い深いレベルの再結合は、620nmのピーク位置を持つ広い発光バンドをもたらします。追加ファイル1の全体的な上面図のカソードルミネッセンス:図S7は、より広い領域での2つのスペクトル特性のルミネッセンスも示しています。

Si基板に転写された単一のZnONRからのカソードルミネッセンスデータ。 a NR全体からのスペクトル。 b 調査したNRのSEM画像を発光データと同時に記録した。成長方向は矢印に沿っています。 c b の線に沿って記録されたハイパースペクトル発光マップ 。図に示すように、x軸は波長、y軸は空間位置であり、強度は偽色スケールでプロットされます。 620nm付近の欠陥バンドの強度が4倍に増強されることに注意してください

深いレベルの発光は、結晶構造内のZnおよびO空孔の固有の点欠陥レベルによるものであることはよく知られています。したがって、深層放射の不均一な空間分布は、NRに沿った不均一な欠陥分布を示し、より強い放射領域では欠陥密度が高くなります。この局所的な欠陥の変動は、文献[34、35]で以前に報告されたように、CBDプロセス中の成長パラメーター(例えば、前駆体濃度)の変化に起因する可能性があります。

文献で頻繁に報告されているように、ZnO NRの垂直成長は、上面のSEM画像または統合されたXRD回折パターンを示すことによってのみ主張されます。しかし、より正確な断面イメージングは​​、通常、パターン化されていない基板上での成長が、初期段階で、短いNRの上部に垂直に整列したコンパクトでテクスチャード加工されたZnO層をもたらすことを示しています[36]。個々のNRは、多かれ少なかれ互いに区別がつかず、基板へのオープンパスを残していません(追加ファイル1:図S3a)。対照的に、パターン化された基板上での成長は、間にオープンスペースを備えたNRアレイをもたらします。明らかに、ここで実証されたナノファブリケーション技術は、ボトムアップで密度制御された、基板に依存しない、単一のZnONRの選択的成長を高品質で合成することができます。多結晶シード層上でのエピタキシャル成長の固有の動作のため、最終的なNRアレイは完全な垂直配向を示しません。ただし、パターン化されていないサンプルと比較して、垂直方向の位置合わせの大幅な改善が容易に観察されます(追加ファイル1:図S3a)。シード層の臨界結晶方位をさらに改善および制御するには、さらに詳細な調査が必要です。

結論

要約すると、我々は、ZnO NPシード層でプレコートされたCLパターン(100)Si基板上でのZnONRのほぼ垂直な成長を実現しました。シード層は、ゾルゲル溶液にSi基板をディップコーティングすることにより、ゾルゲル技術を使用して均一に堆積された。私たちの調査結果は、2段階のディップコーティングがシード層の滑らかさと結晶粒径を向上させ、より良いNR配向につながることを示しています。さらに、CLを使用して、シードされた基板上に、直径とピッチを調整可能な選択領域ナノホールパターン化レジストテンプレートを作成しました。続いて、CBDによってパターン化されたナノホール内に単一のZnO NRの密度制御アレイを成長させ、結晶品質に関してXRDとカソードルミネッセンスによってそれらを調査しました。また、ZnO NRの成長段階は、さまざまな成長時間間隔の後にSEMによって研究されました。実証済みのナノファブリケーション技術は、シンプルさ、広いウェーハスケール領域での均一性、および垂直ZnO NRの制御可能な成長を提供し、高性能デバイスの製造に使用できます。

データと資料の可用性

この作業で提示された結果の再現に関連するすべてのデータは、この公開された記事またはその補足情報(SI)ファイルに含まれています。

略語

ZnO NR:

酸化亜鉛ナノロッド

NP:

ナノ粒子

CBD:

化学浴堆積

CL:

コロイドリソグラフィー

PS-NB:

ポリスチレンナノビーズ

DI:

脱イオン水

RIE:

反応性イオンエッチング

SEM:

走査型電子顕微鏡

EDS:

エネルギー分散型X線分光法

AFM:

原子間力顕微鏡

XRD:

X線回折

RMS:

二乗平均平方根

RDF:

動径分布関数


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