Nukleáció atomi rétegleválasztás során módosított szilícium felületeken
Nukleáció atomi rétegleválasztás során módosított szilícium felületen
Mikula Gergő János, IV. évf. Vegyészmérnök BSc hallgató
Témavezetők: Baji Zsófia tudományos segédmunkatárs
MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi intézet, Mikrotechnológiai osztály
Dr. Szilágyi Imre Miklós tudományos munkatárs
BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék,
MTA-BME Műszaki Analitikai Kémiai Kutatócsoport
A vékonyréteg-leválasztási technikák egyik legígéretesebb képviselője az atomi rétegleválasztás (atomic layer deposition – ALD). Egy ALD-ciklus során a gőz/gázfázisú prekurzorok felváltva, pulzusszerűen jutnak be a reaktorba. Az első prekurzor megkötődik a szubsztrát felületén, majd egy öblítési lépés során a felesleg távozik a gáztérből. A második prekurzor is a szubsztrát felületén megkötődik, és elreagál az első prekurzorral. A módszer segítségével a filmvastagságot a ciklusok számának növelésével pontosan lehet szabályozni, egyenletes rétegek növeszthetőek akár pórusos és nanostrukturált mintákra is.
Kutatómunkánk fő kérdésköre az ALD-vel növesztett új szilárd fázis kialakulásának első lépése, a nukleáció, ami különösen nagy jelentőséggel bír az ultravékony rétegek esetében. A felületi kémiai reakció miatt a nukleációs helyeket elsősorban a felületen található funkciós csoportok jelentik, így a célunk a felület megfelelő módosítása volt. A fő modellvegyületünk a cink-oxid. Az ebből készülő vékonyrétegek átlátszó, félvezető filmek, mely alkalmas napelemek elektródájának, de a vegyület felhasználható fényemittáló és lézerdiódák alkotójaként is. A vékonyréteg mellett más ZnO nanostruktúrák alkalmazása is ismert, például a nanorudak alkalmasak gázérzékelésre.
A ZnO leválasztását szilícium egykristályszeletek felszínén végeztük el dietil-cink [Zn(C2H5)2, DEZ] és víz prekurzorok segítségével 200°C-on, 0,1s-os pulzusidőkkel. A megfelelőnek bizonyult módszereket teszteltük Al2O3 és TiO2 rétegek esetén is. Ezekben az esetekben a reagensek trimetil-alumínium [Al(CH3)3, TMA] és titán(IV)-izopropoxid [Ti(OCH[CH3]2)4] volt. A szilíciumot több felületkezelési módszernek is alávetettük: plazmamarással két különböző teljesítményű készüléken (750 és 300 watt) és két különböző anyagi minőségű plazmával is kísérleteztünk (oxigén- és levegőplazma). Emellett az UV-besugárzást és ún. piranha-oldatos kezelést is kipróbáltunk: tömény H2SO4 és 30%-os H2O2 3:1 arányú elegyében a szilíciumot 10 percen át 80°C-on tartottuk. Valamennyi mintát vízbe helyeztük, hogy elősegítsük azok hidroxilációját. A felületek hidrofilitását peremszög mérésével vizsgáltuk (CAM). A szubsztrátokra ALD-reaktorban választottuk le a fém-oxidot 5, illetve 10 ciklussal, ami ideális esetben 0,5 és 1 nm vastag filmet jelent. A kész minták morfológiáját atomerő mikroszkóppal (AFM) és transzmissziós elektronmikroszkóppal vizsgáltuk (TEM). Emellett azokon a mintákon, amelyekre ZnO-ot választottunk le, hidrotermális úton cink-oxid nanorudakat alakítottunk ki, melyek kizárólag a ZnO szemcséken/filmen nőnek, a szubsztráton nem. Ezek méretei és mennyisége pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) jól vizsgálható, és indirekt módon mutatják a ZnO szigetek sűrűségét.
Vizsgálatainkból az a következtetés vonható le, hogy a kiválasztott felületkezelési eljárások közül a nagyobb teljesítményű oxigén- és levegőplazmás, illetve a piranha-oldatos kezelés számottevően növelte a cink-oxid nukleációs készségét a szilícium felületen és hasonló tendencia figyelhető meg más fém-oxidok esetén is. Ezt a morfológiai vizsgálatok és a módosított szubsztrát nedvesedési vizsgálata is igazolta. Emellett a hidrotermális leválasztás utáni vizsgálat közvetetten bebizonyította, hogy piranha-oldattal kezelt szubsztráton a plazmával kezeltekhez képest is több cink-oxid sziget jött létre.
szerző
-
Mikula Gergő János
vegyészmérnöki
nappali
konzulens
-
Dr. Szilágyi Imre Miklós
egyetemi docens, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék
