Szilícium karbid nanokristályok előállítása és jellemzése - Munkabeszámoló Beke Dávid Balogh István Szekrényes Zsolt Veres Miklós Fisher Éva Fazakas Éva Bencs László Varga Lajos Károly Kamarás Katalin
Témavezető
Gali Ádám
Bemutatkozás 2011.02.15 - : MTA SZFKI 2010: vegyészmérnöki diploma BME VBK műanyagipari szakirány, anyagtudományi alszakriány
2008-2010: MTA MFA MEMS laboratorium SiC kristályok Si felületen történő nukleációjának és növekedésének vizsgálata (konzulens: Pongrácz Anita)
2006-2010 BME TTK AFT Felüleanalitikai laboratórium XPS AES SIMS mérések (Konzulens: Dobos Gábor, Josepovits Katalin
TDK 2008 EMRS spring meeting 2010 AIP Conf. Proc. -- November 1, 2010 Volume 1292, pp. 23-26
Diploma
SiC nanokristályok előállítása és jellemzése • • • •
A SiC és a nanokristályok bemutatása Célkitűzés Előállítás és jellemzés A kutatás állása: pillanatnyi eredmények
A SiC és a nanokristályok bemutatása
Kvantum bezártság a kristályra jellemző sávszerkezetet felülírják a mérethatások:
© Felice Frankel Nanotechnology Now
– kvantum-bezártság: akkor lép fel ha az elektronok koherenciahossza összemérhető a szerkezet méreteivel
MIT
(CdSe)
Biológiai képalkotás • Képalkotás fluoreszcens jelből • In vivo – in vitro • Állapot, folyamat megfigyelése Evident technologies
Kvantum pöttyök Molekula vs QDs
Pavel Zrazhevskiy, Mark Sena and Xiaohu Gao. Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 4326-4354
Problémák a jelenleg kutatott vegyületfélvezetőkkel • A komponensek jelentős része mérgező • A kvantum „pöttyök” mérete önmagában is 20nm körüli, de a stabilitás érdekében további méretnövelő rétegekre van szükség. • Az emittált fény hullámhossza erősen függ az átmérőtől, ami gondot okozhat az érzékelésben.
Célkitűzés
Cél: Biológiai képalkotás Használjunk olyan félvezető nanoklasztert, Amely • eléggé kisméretű • biokompatibilis • Infravörös fénykibocsátása van
SiC Wu XL, Fan JY, Qiu T, Yang X, Siu GG, Chu PK. Phys Rev Lett 2005;94:026102.
Ezt kell elérni SiC-ban is
J. Botsoa, et al., “Application of 3C-SiC quantum dots for living cell imaging,” Applied Physics Letters, vol. 92, no. 17, p. 173902, 2008.
SiC tulajdonságai paraméter
Si
tiltott sáv [eV] 1,12 a [Ᾰ] 5,43 c [Ᾰ] n.a Kötéshossz 2.35 T.E.C [10-6/K] 2,6 Sűrűség [g/cm3] 2,3 Hőv. tényező [W/cmK] 1,5 Olv. pont [oC] 1420 Mohs keménység
3C-SiC GaAs 2H-GaN
Gyémánt
2,4 4,36 n.a. 1,89 3,0 3,2 5,0 2830 9,5
5,5 3,567 n.a. 1,54 0,8 3,5 20,0 4000 10
1,43 5,65 n.a. 2,45 5,73 5,3 0,5 1240
3,4 3,189 5,185 1,95 5,6 6,1 1,3 2500
SiC nanokristályok modósítása MOLECULE
NANOPARTICLE
LUMO
SiC
Energy
BULK SOLID
CB Eg
DE
DE
VB
Módositott SiC
HOMO
DE
Cél • Adalékolt SiC NC előállítása (módosítás elérése) – Mo; V; NV- - nitrogén vakancia (intersticiális nitrogén + Si hiány); szilícium vakancia
• Felület módosítás – Kolloid-stabilitás növelés – Címkézés – funkcionalizálás
Ming-Qiang at al., J. Mater. Chem., 2007, 17, 800
SiC előállítása és jellemzése
Kiindulási állapot • Balogh István SiC mikrokristályok előállítása indukciós kemencében (Si + C SiC) – Köbös kristályszerkezet – Gyors előállítás
– Elképzelhető a színcentrum bevitele – Mikrokristályok könnyebben kezelhetőek
mikrokristály nanokristály? J. Zhu, Z. Liu, X. L. Wu, L. L. Xu, W. C. Zhang, and P. K. Chu, “Luminescent small-diameter 3C-SiC nanocrystals fabricated via a simple chemical etching method,” Nanotechnology, vol. 18, no. 36, p. 365603, Sep. 2007.
SiC + HF + HNO3 H2SiF6 H2O + H2 + CO2 100°C
Jellemzés
Előállítás
Si + C Indukciós kemence
XRD
Tisztítás Hőkezelés, marás SiC SiC NC
1.: Nedves kémiai marás 2.: Ultrahangos rázás
raman
SiC
HF + HNO3
SiC
100°C
raman PL
TEM
mintakészítés
IR
XRD
A kutatás állása: pillanatnyi eredmények
Beke, Szekrényes et all: Characterization of luminescent silicon carbide nanocrystals prepared by reactive bonding and subsequent wet chemical etching. APL; Subm.: 2011, 09, 16, XRD Diffractogram Co Kα
• Köbös SiC • Tiszta felület • Átlagos átmérő: 5nm
2θ
• Maximális emisszió 360nm-es megvilágításnál • Csúcsmaximum oldószerfüggő
EMISSZIÓ - hullámhossz (nm)
CPS
SiC NC – etanol kolloid
SiC NCs in EtOH Exc:360 nm
CPS
405nm
EMISSZIÓ - hullámhossz (nm)
C= 0,5mg/ml
350
SiC „fogyás”: 200mg/g Teljes kitermelés kb 1mg/100mg
400
450
500
550
600
650
700
750
EMISSZIÓ - hullámhossz (nm)
EMISSZIÓ - Hullámhossz (nm)
PL jel változása a centrifugálási idő függvényében Homogénebb méreteloszlás 1,5h Centrifugálási idő • Folyamatábra: felülúszó
alsó 3ml
1,5h
pellet 8h
• Kisérlet a méretszeparációra centrifugális ülepítéssel. • Cél a tömbi (10nm fölötti) kristályok eltávolítása
15h
Eredmény: méret szerinti szeparálás Polinorm. Illesztett görbék, A1-3 A4-hez normálva. * A1: 1,5h pörgetés utáni (alsó 3mll) A2: 8h pörgetés pellet rázva A3: 8h pörgetés alsó 3 ml A4: 8h pörgetés felülúszója
CPS
822A1 822A2 822A3 822A4
tömbi SiC 350
400
450
500
550
15h
600
hullámhossz (nm)
1,5h
8h
822A4
822A2 822A1
822A3
az 500nm fölött jelentkező csúcsok intenzitása az összehasonlíthatóság érdekében jelentősen meg lett növelve
• C1: alsó 3 ml • C2: felülúszó • C3: pellett
CPS
822C1 822C2 822C3
tömbi SiC
350
400
450
500
550
van mérhető jel: történt ülepedés
• Célméret lassan vagy nem ülepíthető • 9h< tcentr. <24h
600
hullámhossz (nm)
15h
Nincs eltérés
822C2 822C1
822C3 az 500nm fölött jelentkező csúcsok intenzitása az összehasonlíthatóság érdekében jelentősen meg lett növelve
SiC NC Felületének Infravörös Spektroszkópiás vizsgálata (Szekrényes Zsolt) COO és –OH rezgések a felületen
• • Adott a lehetőség a felületmódosításra
(Részletes kiértékelés Szekrényes Zsolt későbbi beszámolójában)
Beke, Szekrényes et al.; APL
Fő cél: Aktív centrum kialakítása • Az intézetben rejló potenciál kihasználása • Más SiC előállítási módszerek keresése – Varga lajos: SiC NC előállítása reaktív őrléssel
• Adalékolási módszerek felkutatása
Kiegészítés: Pórusos marás Si-on
