Síntese de nanocristais por descargas em nitrogênio líquido de Si

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 17477 (2015) Citar este artigo

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A viabilidade de síntese de nanocristais de silício-estanho por descargas em nitrogênio líquido é estudada usando um eletrodo sinterizado de Si-10 a % Sn. A espectroscopia de emissão óptica resolvida no tempo mostra que o silício e o estanho derretem quase simultaneamente. A presença de ambos os vapores não leva à síntese de nanocristais ligados, mas à síntese de nanocristais separados de silício e estanho com tamanhos médios de 10 nm. Esses nanocristais são transformados em óxido de silício amorfo (am–SiO2) e β–SnO2 por oxidação ao ar, após a evaporação do nitrogênio líquido. A síntese de uma fase am-Si0.95Sn0.05 em torno de grandes cristais de silício (~500 nm) decorados por esferóides β-Sn é alcançada se a corrente que flui através dos eletrodos for alta o suficiente. Quando o eletrodo sinterizado é atingido por fortes descargas, alguns grãos são aquecidos e o estanho se difunde nos grandes cristais de silício. Em seguida, esses grãos são descascados e caem no líquido dielétrico.

Nanocristais Si-Sn (NCs) têm grande potencial para baterias de íons de lítio1 e células fotovoltaicas2. O crescimento direto de ligas Si-Sn é muitas vezes difícil devido à grande diferença nas constantes de rede (~20%) de Si e α-Sn e a baixa solubilidade de Sn em Si (~6-8 × 1019 cm-3, ou seja, ~0,15 a % a 1100–1200 °C)3. Em altas concentrações de Sn, o equilíbrio da liga Si-Sn é uma mistura bifásica composta da fase Si semelhante ao diamante e a fase Sn que se transforma de α-Sn semelhante ao diamante (estanho cinza) para β-Sn tetragonal (branco). estanho) a 286,3 K (13,2 °C).

A lacuna da banda óptica de Si-Sn NCs seria direta e não indireta como no silício e poderia ser ajustada, pois depende tanto do conteúdo de estanho quanto do tamanho da NC. Segundo Jensen et al.4, para deformação de tração de 2,2%, o band gap torna-se direto com magnitude de 0,85 eV. Aumentar o teor de estanho até 25 a % diminui quase linearmente o bandgap5 enquanto diminui o tamanho do NC. Para aplicações fotovoltaicas, bem como em optoeletrônica4,5, tal material encontraria uma ampla utilização graças à possibilidade de ajustar com precisão os níveis de energia e as propriedades optoeletrônicas pelos efeitos combinados devido à liga de Si e ao confinamento quântico.

Recentemente, a síntese de NCs Si-Sn exibindo propriedades de confinamento quântico foi alcançada por ablação a laser de nanossegundos em água de um alvo Si-Sn amorfo2. A ablação a laser em líquidos (LAL) geralmente atinge rendimentos de ~100 mg h-1. O recurso a descargas elétricas em líquidos pode aumentá-las até 100 gh−1.

Arcos submersos gerados no líquido6,7,8,9,10,11 são caracterizados por confinamento espacial com pressão muito alta, o que pode permitir o crescimento de ligas NCs por reação química. Na prática, verifica-se que se forem empregados dois eletrodos com materiais diferentes, NCs de cada tipo de material são produzidos, mas nenhuma liga é formada12. Os alvos sinterizados são então preferidos para obter ligas NCs13,14. Por esta técnica, condições de plasma bastante semelhantes à ablação a laser ns podem ser geradas com, no entanto, um rendimento de produção significativamente melhorado. Outra vantagem reside em um melhor controle e conhecimento das condições do plasma, o que também pode ajudar a entender melhor como essas NCs são formadas.

Neste manuscrito, exploramos a possibilidade de sintetizar NCs Si-Sn por descargas em nitrogênio líquido, que é um dielétrico forte livre de oxigênio. Além da caracterização de NCs, a espectroscopia de emissão óptica resolvida no tempo é usada para investigar a dinâmica do plasma e correlacioná-la com os resultados do material. Atenção especial é dada à erosão alvo e aos mecanismos que podem levar à síntese de SiSn NCs.

Quando os produtos sintetizados são removidos do nitrogênio líquido, a oxidação do ar contribui para converter NCs metálicos ou semicondutores em óxidos (SnO2, SiO2 e (Si1–xSnx)O2). A oxidação é relativamente rápida e não conseguimos evitá-la.