Functionele oppervlakteverfijning: gerichte controle van de groeidynamiek van de fijnste tinlagen

Coatings op nanometerschaal met functionele materialen spelen een belangrijke rol in veel sensorische, elektronische en fotonische toepassingen. Een internationaal team van onderzoekers, gecoördineerd door Leibniz IPHT in Jena, Duitsland, is er voor het eerst in geslaagd om nieuwe groei-effecten van tincoatings op silicium nanometer-gestructureerde oppervlakken waar te nemen.

Met de opgedane kennis kan de chemische samenstelling van afgezette dunne films in de toekomst nauwkeurig worden gecontroleerd en gemonitord, wat nieuwe toepassingen opent op het gebied van biofotonica, energieopwekking of mobiliteit. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Klein.

Er is vraag naar tinhoudende lagen voor een grote verscheidenheid aan elektronische onderdelen en componenten in de elektrische industrie, maar ook in sensortechnologie of fotovoltaïsche energie. Onderzoekers van het Leibniz Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) onderzochten samen met wetenschappers uit Duitsland, Rusland en Groot-Brittannië het ontwikkelingsproces van tinlagen op nanoschaal en vatten hun resultaten samen in het tijdschrift Klein.

Het uitgangsmateriaal voor de waargenomen groeiprocessen van tinhoudende dunne films zijn ultradunne structuren op siliciumbasis in de vorm van nanodraden met een diameter van minder dan 100 nanometer. In experimentele studies konden de onderzoekers voor het eerst een specifiek distributie-effect van tin langs deze silicium nanostructuren aantonen. Door middel van metaal-organische chemische dampafzetting bij een depositietemperatuur van 600° Celsius werden over de gehele lengte van de halfgeleider nanodraden tinhoudende lagen met verschillende oxidatiegraden gevormd.

“Door te begrijpen hoe tincoatings groeien en welke factoren dit groeiproces beïnvloeden, creëren we de voorwaarden voor het gericht beheersen van coatingprocessen. Hierdoor kunnen oppervlakken zeer nauwkeurig worden verfijnd en kunnen ze worden uitgerust met gewenste functionele eigenschappen op vooraf gedefinieerde posities”, legt Dr. Vladimir Sivakov, hoofd van de Silicon Nanostructures Group bij Leibniz IPHT, die samen met zijn team de groeimechanismen onderzocht en ontdekte.

Toepassingen van ultradunne tinlagen

Nanometerdunne coatings met tin maken specifieke optische en elektrische eigenschappen mogelijk en laten onder andere toe om het onderzoek naar en de ontwikkeling van optische en biofotonische methoden verder te verbeteren.

Tinlagen kunnen worden gebruikt als UV-SERS-actieve oppervlakken in oppervlakte-verbeterde Raman-verstrooiing (SERS) -spectroscopie, die kan worden toegepast om de moleculaire vingerafdruk van biologische monsters te bepalen met behulp van SERS-actieve metalen nanostructuren. Daarnaast zijn er toepassingsgebieden in gassensoren waarbij tin als een zeer gevoelige laag op gassen reageert. Er zijn ook toepassingsscenario’s denkbaar in krachtige lithium-ionbatterijen voor elektromobiliteit en thermische energieopslag, waarbij vertinde anoden zorgen voor een hoge elektronische geleidbaarheid.

Mechanismen en groeidynamiek van tinhoudende lagen

De onderzoekers onderzochten de groeidynamiek van de waargenomen op tin gebaseerde lagen op nanogestructureerde oppervlakken met behulp van microscopische en spectroscopische methoden. In tegenstelling tot vlakke en ongestructureerde siliciumoppervlakken, waarop de depositie homogeen plaatsvond, waren de oppervlakken van de halfgeleider nanodraden over de gehele lengte bedekt met tinhoudende kristallen van verschillende grootte en vorm.

De resultaten die in het tijdschrift worden gepresenteerd, tonen de vorming van verschillende tinoxidefasen langs de nanogestructureerde siliciumoppervlakken, die kunnen worden geïdentificeerd met tindioxide (SnO₂) in het bovenste gedeelte, tinmonoxide (SnO) in het middelste gedeelte en met metallisch tin (Sn) in het onderste gedeelte.

De hoeveelheid en verdeling van het gevormde metallische Sn en zijn SnO en SnO₂ oxiden kunnen worden verklaard en effectief worden gecontroleerd door de lengte, diameter, porositeit en afstand van de op silicium gebaseerde halfgeleider nanostructuren. Naast deze geometrische parameters konden de onderzoekers de vorming van koolwaterstofbevattende bijproducten als reductiemiddelen voor de reductie van tinoxide onthullen als een andere factor die de verdeling van de gevormde tinlagen langs de halfgeleider nanostructuren beïnvloedt.

De thermische geleidbaarheid van de siliciumstructuren en daarmee de temperatuurverdeling langs de nanodraden tijdens het opdampen bij hoge temperatuur kan ook invloed hebben op de vorming van verschillende tinoxidefasen.