В последнее время плазмонные эффекты широко исследуются для различных применений. Благодаря плазмонным эффектам наночастицы усиливают некоторые явления, такие как комбинационное рассеяние света, фотокатализ, фотогенерация. Понимание особенностей формирования наночастиц и наносплавов позволяет добиться их определенного состава и структуры. В работе показаны особенности формирования наночастиц Ag, Au и бинарных наносплавов Ag-Cu, Au-Cu, Cu-Rh путем термического испарения, конденсации и нагрева на инертной поверхности в вакууме. Посредством атомно-силовой микроскопии обнаружено, что быстрые изменения в исходном массиве наночастиц Ag происходят при низкой температуре (75-100 °C), после чего массив переходит в метастабильное состояние. Выявлено, что воздействие электронного луча просвечивающего электронного микроскопа на исходный конденсат приводит к миграции наночастиц и их слиянию, несмотря на их кристаллическое состояние. Продемонстрировано различие в образовании наносплавов Ag-Cu, Au-Cu и Cu-Rh. Показано отклонение в образовании фаз от диаграммы фазовых равновесий объемных материалов, обусловленное размерным эффектом. Установлено, что рассмотренные особенности формирования наночастиц и наносплавов связаны с размерным эффектом снижения температуры плавления и наличием на поверхности твердой фазы слоя жидкости определенной толщины, находящегося в равновесии с твердой фазой.
-
Ключевые слова:
наночастица, наносплав, плавление, коалесценция, золото, серебро, медь, термическое испарение
-
Опубликовано в разделе:
Технологические процессы и маршруты
-
Библиографическая ссылка:
Громов Д. Г., Дубков С. В., Савицкий А. И., Гаврилов С. А. Особенности формирования наночастиц и бинарных наносплавов при термическом испарении и конденсации на инертной поверхности в вакууме // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 1. С. 49–58. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-1-49-58 (На англ. яз.)
-
Источник финансирования:
работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 21-19-00761). Благодарности: работа выполнена с использованием оборудования и при содействии специалистов Центра коллективного пользования «Диагностика и модификация наноструктур и нанообъектов» МИЭТ, Центра коллективного пользования НИИ физических проблем им. Ф. В. Лукина, Института нанотехнологий микроэлектроники РАН.
Громов Дмитрий Геннадьевич
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия; Первый Московский государственный медицинский университет имени И. М. Сеченова Минздрава России, г. Москва, Россия
Савицкий Андрей Иванович
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия; НПК «Технологический центр», г. Москва, Россия
1. Erathodiyil N., Ying J. Y. Functionalization of inorganic nanoparticles for bioimaging applications. Acc. Chem. Res., 2011, vol. 44, no. 10, pp. 925–935. https://doi.org/10.1021/ar2000327
2. Klębowski B., Depciuch J., Parlińska-Wojtan M., Baran J. Applications of noble metal-based nanoparticles in medicine. Int. J. Mol. Sci., 2018, vol. 19 (12), art. no. 4031. https://doi.org/10.3390/ijms19124031
3. Liu L., Corma A. Metal catalysts for heterogeneous catalysis: from single atoms to nanoclusters and nanoparticles. Chem. Rev., 2018, vol. 118, no. 10, pp. 4981–5079. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00776
4. Chang G., Cai Z., Jia H., Zhang Z., Liu X., Liu Z., Zhu R., He Y. High electrocatalytic performance of a graphene-supported PtAu nanoalloy for methanol oxidation. International Journal of Hydrogen Energy, 2018, vol. 43, no. 28, pp. 12803–12810. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.04.116
5. Zeng S., Baillargeat D., Ho H.-P., Yong K.-T. Nanomaterials enhanced surface plasmon resonance for biological and chemical sensing applications. Chem. Soc. Rev., 2014, vol. 43, iss. 10, pp. 3426–3452. https://doi.org/10.1039/C3CS60479A
6. Zhou Q., Xu L., Umar A., Chen W., Kumar R. Pt nanoparticles decorated SnO2 nano-needles for efficient CO gas sensing applications. Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, vol. 256, pp. 656–664. https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.09.206
7. Liu K., Bai Y., Zhang L., Yang Z., Fan Q., Zheng H., Yin Y., Gao C. Porous Au–Ag nanospheres with high-density and highly accessible hotspots for SERS analysis. Nano Lett., 2016, vol. 16, no. 6, pp. 3675–3681. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b00868
8. Sonnefraud Y., Leen Koh A., McComb D. W., Maier S. A. Nanoplasmonics: Engineering and observation of localized plasmon modes. Laser and Photon. Rev., 2012, vol. 6, pp. 277–295. https://doi.org/10.1002/lpor.201100027
9. Willets K. A., Duyne R. P. van. Localized surface plasmon resonance spectroscopy and sensing. Annual Review of Physical Chemistry, 2007, vol. 58, pp. 267–297. https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.58.032806.104607
10. Mayer K. M., Hafner J. H. Localized surface plasmon resonance sensors. Chem. Rev., 2011, vol. 111, no. 6, pp. 3828–3857. https://doi.org/10.1021/cr100313v
11. Pillai S., Catchpole K. R., Trupke T., Green M. A. Surface plasmon enhanced silicon solar cells. Journal of Applied Physics, 2007, vol. 101, iss. 9, art. no. 093105. https://doi.org/10.1063/1.2734885
12. Shamjid P., Abhijith T., Vivek P., Joel C. S., Reddy V. S. Plasmonic effects of Ag nano-particles for absorption enhancement in polymer solar cells with MoO3 passivation layer. Physi-ca B: Condensed Matter, 2019, vol. 560, pp. 174–184. https://doi.org/10.1016/j.physb.2019.01.052
13. Fang M., Tan X., Liu Z., Hu B., Wang X. Recent progress on metal-enhanced photocatalysis: a review on the mechanism. Research, 2021, vol. 2021, art. ID: 9794329. https://doi.org/10.34133/2021/9794329
14. Bingham M., Mills A. Photonic efficiency and selectivity study of M (M = Pt, Pd, Au and Ag)/TiO2 photocatalysts for methanol reforming in the gas phase. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2020, vol. 389, art. no. 112257. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2019.112257
15. Liao T.-W., Verbruggen S. W., Claes N., Yadav A., Grandjean D., Bals S., Lievens P. TiO2 films modified with Au nanoclusters as self-cleaning surfaces under visible light. Nanomaterials, 2018, vol. 8 (1), art. no. 30. https://doi.org/10.3390/nano8010030
16. Purwidyantri A., Hsu C.-H., Yang C.-M., Prabowo B. A., Tian Y.-C., Lai C.-S. Plasmonic nanomaterial structuring for SERS enhancement. RSC Adv., 2019, iss. 9, pp. 4982–4992. https://doi.org/10.1039/C8RA10656H
17. Gromov D. G., Dubkov S. V., Savitskiy A. I., Shaman Yu. P., Polokhin A. A., Belogo-rokhov I. A., Trifonov A. Yu. Optimization of nanostructures based on Au, Ag, Au–Ag nanoparticles formed by thermal evaporation in vacuum for SERS applications. Applied Surface Science, 2019, vol. 489, pp. 701–707. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.05.286
18. Moskovits M. Surface-enhanced spectroscopy. Rev. Mod. Phys., 1985, vol. 57, iss. 3, pp. 783–826. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.57.783
19. Bandarenka H. V., Girel K. V., Zavatski S. A., Panarin A., Terekhov S. N. Progress in the development of SERS-active substrates based on metal-coated porous silicon. Materials, 2018, vol. 11 (5), art. no. 852. https://doi.org/10.3390/ma11050852
20. Gromov D. G., Pavlova L. M., Savitsky A. I., Trifonov A. Yu. Nucleation and growth of Ag nanoparticles on amorphous carbon surface from vapor phase formed by vacuum evaporation. Appl. Phys. A, 2015, vol. 118, iss. 4, pp. 1297–1303. https://doi.org/10.1007/s00339-014-8834-0
21. Gromov D. G., Pavlova L. M., Savitskii A. I., Trifonov A. Yu. Investigation of the early stages of condensation of Ag and Au on the amorphous carbon surface during thermal evaporation under vacuum. Phys. Solid State, 2015, vol. 57, pp. 173–180. https://doi.org/10.1134/S1063783415010126
22. Gromov D. G., Dubkov S. V., Eritsyan G. S., Savitsky A. I., Bykov V. A., Bobrov Yu. A. Thermal stabilization of the geometric parameters of an array of silver nanoparticles obtained by vacuum-thermal evaporation on an unheated substrate. Russ. Microelectron., 2020, vol. 49, iss. 7, pp. 485–488. https://doi.org/10.1134/S1063739720070033
23. Dubkov S., Gromov D., Savitskiy A., Trifonov A., Gavrilov S. Alloying effects at bi-component Au-Cu and In-Sn particle arrays formation by vacuum-thermal evaporation. Materials Research Bulletin, 2019, vol. 112, pp. 438–444. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2018.10.003
24. Sorokina L., Savitskiy A., Shtyka O., Maniecki T., Szynkowska-Jozwik M., Trifonov A., Pershina E., Mikhaylov I., Dubkov S., Gromov D. Formation of Cu-Rh alloy nanoislands on TiO2 for photoreduction of carbon dioxide. Journal of Alloys and Compounds, 2022, vol. 904, art. no. 164012. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.164012
25. Priya S., Jacob K. T. Activities and immiscibility in the system Cu-Rh. JPE, 2000, vol. 21, iss. 4, art. no. 342. https://doi.org/10.1361/105497100770339860
26. Dubkov S. V., Savitskiy A. I., Trifonov A. Yu., Yeritsyan G. S., Shaman Yu. P., Kit-syuk E. P., Tarasov A., Shtyka O., Ciesielski R., Gromov D. G. SERS in red spectrum region through array of Ag–Cu composite nanoparticles formed by vacuum-thermal evaporation. Optical Materials: X, 2020, vol. 7, art. no. 100055. https://doi.org/10.1016/j.omx.2020.100055
27. Buffat Ph., Borel J.-P. Size effect on the melting temperature of gold particles. Phys. Rev. A, 1976, vol. 13, iss. 6, pp. 2287–2298. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.13.2287
28. Gromov D. G., Gavrilov S. A. Heterogeneous melting in low-dimensional systems and accompanying surface effects. Thermodynamics – Physical Chemistry of Aqueous Systems, ed. J. C. Moreno-Piraján. London, InTechOpen, 2011, pp. 157–190. https://doi.org/10.5772/21429