Получение вертикально ориентированных наноструктур имеет важное значение, обычно используют эпитаксиальный рост наноструктур на подложке. Синтез, как правило, проводят при высоких температурах (более 800ºС), что приводит к образованию дефектов в структуре, а также в некоторых случаях (например, VLS-процесс, "пар - жижкость - кристалл") к наличию примеси катализатора в образце. Также часто для получения необходимых свойств требуется дальнейшая обработка. В данной статье авторы описывают метод получения высокосимметричных иерархических наноструктур ZnO - Ga2O3.
Первая стадия – синтез нанонитей оксида галлия Ga2O3 методом «пар – жидкость – кристалл» (рис. 1). Использовали подложку из кремния, в качестве катализатора – золото (слой 20 нм), источником галлия был металлический галлий, синтез проводили в атмосфере Ar + O2. Диаметр полученных нитей определён методами SEM и TEM и составляет 5-150 нм. Методом SAED установлено, что состав образца – монокл. β- Ga2O3, рост происходит преимущественно в направлениях [010] и [100].
Вторая стадия – рост ZnO на полученных нитях Ga2O3. Порошок цинка и нанонити Ga2O3 на подложке поместили в лодочке из оксида алюминия в печь с кварцевой трубкой, так, чтобы порошок цинка располагался в более горячей зоне. Трубку быстро нагрели до 560ºС, выдерживали при этой температуре в течение 1-2 часов, затем быстро охладили. Для исследования механизма роста кристаллов время второй стадии варьировали. В зависимости от времени роста образовывались структуры различной морфологии: за 1-1.5 часа образовывались короткие толстые «щетинки» (рис. 2) с общим диаметром структуры около 1 мкм; за 2 часа образовывались длинные «иглы» (рис. 3) с общим диаметром около 8 мкм. Для анализа полученных структур использовали различные методы: EDX в SEM (обнаружены только Zn и O), EDX в TEM («иглы» состоят из Zn и O; «стержни» - из Ga и О, содержат менее 2 вес.% Zn), TEM (рис. 4 и 5, рост ZnO происходит в направлении [0001]), а также SAED и ИК-спектроскопию. В ИК-спектрах образцов присутствуют полосы при 578 и 418 см-1, что может быть отнесено к ZnGa2O4. Другими методами эту фазу обнаружить не удалось. Авторами предложены различные механизмы образования высокосимметричных структур оксида цинка на оксиде галлия с низкой симметрией (рис. 6). Возможно как прямое образование центров нуклеации оксида цинка на стержнях оксида галлия, так и образование сначала промежуточного слоя ZnGa2O4 (на рис. 6 показан темно-синим цветом) со структурой шпинели и уже дальнейший рост нитей ZnO на нем.
Студенты 501 группы химического факультета МГУ Беззубов С.И., Воробьева Н.А., Ефимов А.А. по материалам статьи Lena Mazeina, Yoosuf N. Picard, and Sharka M. Prokes. Controlled Growth of Parallel Oriented ZnO Nanostructural Arrays on Ga2O3 Nanowires. // Crystal Growth & Design, Vol. 9, No. 2, 2009. P. 1164–1169.
