Vapor–liquid–solid method
वाष्प-तरल-ठोस विधि (वी. एल. एस.) रासायनिक वाष्प निक्षेपण से नैनोवायर जैसी एक-आयामी संरचनाओं के विकास के लिए एक तंत्र है। ठोस सतह पर गैस चरण के प्रत्यक्ष अवशोषण के माध्यम से एक क्रिस्टल का विकास आम तौर पर बहुत धीमा होता है। वी. एल. एस. तंत्र एक उत्प्रेरक तरल मिश्र धातु चरण की शुरुआत करके इसे घेरता है जो तेजी से एक वाष्प को अधिशोषण स्तर तक अवशोषित कर सकता है, और जिससे बाद में तरल-ठोस इंटरफेस पर नाभिकीय बीजों से क्रिस्टल विकास हो सकता है। इस तरह से उगाए गए नैनोवायर की भौतिक विशेषताएँ, नियंत्रित तरीके से, तरल मिश्र धातु के आकार और भौतिक गुणों पर निर्भर करती हैं। ऐतिहासिक पृष्ठभूमि वी. एल. एस. तंत्र को 1964 में सिलिकॉन सब्सट्रेट पर रखे गए तरल सोने की बूंद की उपस्थिति में गैस चरण से सिलिकॉन व्हिस्कर विकास के लिए एक स्पष्टीकरण के रूप में प्रस्तावित किया गया था। व्याख्या मूंछ में अक्षीय पेंच विस्थापन की अनुपस्थिति (जो अपने आप में एक विकास तंत्र है), विकास के लिए सोने की बूंद की आवश्यकता और पूरी विकास प्रक्रिया के दौरान मूंछ की नोक पर बूंद की उपस्थिति से प्रेरित थी। परिचय वी. एल. एस. तंत्र को आम तौर पर तीन चरणों में वर्णित किया जाता हैः उस सब्सट्रेट पर एक तरल मिश्र धातु की बूंद की तैयारी जिससे एक तार उगाया जाना है वाष्प के रूप में उगाए जाने वाले पदार्थ का परिचय, जो तरल सतह पर अवशोषित हो जाता है, और तरल/ठोस इंटरफेस पर बूंद सुपरसैचुरेशन और न्यूक्लिएशन में फैल जाता है जिससे अक्षीय क्रिस्टल विकास होता है प्रायोगिक तकनीक वी. एल. एस. प्रक्रिया इस प्रकार होती हैः एक पतली (~ 1-10 एन. एम.) ए. यू. फिल्म को स्पटर जमाव या थर्मल वाष्पीकरण द्वारा सिलिकॉन (एस. आई.) वेफर सब्सट्रेट पर जमा किया जाता है। वेफर को एयू-सी यूटेक्टिक बिंदु से अधिक तापमान पर एनील किया जाता है, जिससे वेफर की सतह पर एयू-सी मिश्र धातु की बूंदें बनती हैं (एयू फिल्म जितनी मोटी होगी, बूंदें उतनी ही बड़ी होंगी)। एसआई के साथ एयू को मिलाने से मिश्र धातु के घटकों की तुलना में मिश्र धातु का पिघलने का तापमान बहुत कम हो जाता है। एयूःसी मिश्र धातु का पिघलने का तापमान न्यूनतम (~ 363 डिग्री सेल्सियस) तक पहुंच जाता है जब इसके घटकों का अनुपात 4:1 एयूःसी होता है, जिसे एयूःसी यूटेक्टिक बिंदु के रूप में भी जाना जाता है। लिथोग्राफी तकनीकों का उपयोग बूंदों के व्यास और स्थिति को नियंत्रित करने के लिए भी किया जा सकता है (और जैसा कि आप नीचे देखेंगे, परिणामी नैनोवायर)। एक आयामी क्रिस्टलीय नैनोवायर को फिर एक तरल धातु-मिश्र धातु की बूंद-उत्प्रेरित रासायनिक या भौतिक वाष्प निक्षेपण प्रक्रिया द्वारा उगाया जाता है, जो एक निर्वात निक्षेपण प्रणाली में होता है। सब्सट्रेट की सतह पर एयू-सी बूंदें सामान्य वाष्प-ठोस वृद्धि की सक्रियण ऊर्जा को कम करने का कार्य करती हैं। उदाहरण के लिए, सामान्य वाष्प-ठोस वृद्धि में केवल 800 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर SiCl4: H2 गैसीय मिश्रण प्रतिक्रिया (रासायनिक वाष्प जमाव) के माध्यम से Si जमा किया जा सकता है। इसके अलावा, इस तापमान से नीचे विकास सतह पर लगभग कोई एस. आई. जमा नहीं होता है। हालांकि, एयू कण 363 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान पर एयू-सी यूटेक्टिक बूंदें बना सकते हैं और वाष्प अवस्था से सी को अवशोषित कर सकते हैं (क्योंकि एयू 100% तक सभी सी सांद्रता के साथ एक ठोस-समाधान बना सकता है) जब तक कि एयू में सी की अति संतृप्त स्थिति तक नहीं पहुंच जाता। इसके अलावा, नैनोसाइज़्ड औ-सी बूंदों में बहुत कम पिघलने के बिंदु (संदर्भ) होते हैं क्योंकि सतह क्षेत्र-से-आयतन अनुपात बढ़ रहा है, ऊर्जावान रूप से प्रतिकूल हो रहा है, और नैनोमीटर के आकार के कण बूंदों (गोले या आधे गोले) बनाकर अपनी सतह ऊर्जा को कम करने का कार्य करते हैं। सी में यूटेक्टिक मिश्र धातु की तुलना में बहुत अधिक पिघलने का बिंदु (~ 1414 डिग्री सेल्सियस) होता है, इसलिए सी परमाणु तरल-मिश्र धातु/ठोस-सी इंटरफेस पर सुपरसैचुरेटेड तरल-मिश्र धातु की बूंद से बाहर निकलते हैं, और बूंद सतह से निकलती है। इस प्रक्रिया को चित्र 1 में दर्शाया गया है। वी. एल. एस. विधि की विशिष्ट विशेषताओं ने सामान्य वाष्प-ठोस वृद्धि की तुलना में प्रतिक्रिया ऊर्जा को बहुत कम कर दिया। तार केवल धातु उत्प्रेरक द्वारा सक्रिय क्षेत्रों में उगते हैं और तारों का आकार और स्थिति धातु उत्प्रेरक द्वारा निर्धारित की जाती है। यह विकास तंत्र विभिन्न प्रकार की सामग्री से अत्यधिक अनिसोट्रोपिक नैनोवायर सरणियों का उत्पादन भी कर सकता है। उत्प्रेरक कणों के लिए आवश्यकताएँ उत्प्रेरक के लिए आवश्यकताएँ हैंः इसे नैनोवायर विकास तापमान पर उगाए जाने के लिए क्रिस्टलीय सामग्री के साथ एक तरल घोल बनाना चाहिए। सब्सट्रेट सामग्री के ठोस और तरल चरणों में उत्प्रेरक एजेंट की ठोस घुलनशीलता कम होती है। तरल मिश्र धातु पर उत्प्रेरक का संतुलन वाष्प दबाव कम होना चाहिए ताकि बूंद वाष्पित न हो, आयतन (और इसलिए त्रिज्या) में सिकुड़ न जाए, और बढ़ते तार की त्रिज्या को तब तक कम कर दे जब तक कि अंततः वृद्धि समाप्त न हो जाए। उत्प्रेरक को प्रतिक्रिया उत्पादों (सी. वी. डी. नैनोवायर विकास के दौरान) के लिए निष्क्रिय (गैर-प्रतिक्रियाशील) होना चाहिए। वाष्प-ठोस, वाष्प-तरल और तरल-ठोस अंतःमुख ऊर्जाएँ बूंदों के आकार में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती हैं और इसलिए एक उपयुक्त उत्प्रेरक चुनने से पहले उनकी जांच की जानी चाहिए; बूंदों और ठोस के बीच के छोटे संपर्क कोण बड़े क्षेत्र के विकास के लिए अधिक उपयुक्त होते हैं, जबकि बड़े संपर्क कोणों के परिणामस्वरूप छोटे (घटते त्रिज्या) मूंछ बनते हैं। नैनोवायर के अत्यधिक दिशात्मक विकास का उत्पादन करने के लिए ठोस-तरल इंटरफेस को अच्छी तरह से परिभाषित क्रिस्टलोग्राफिक होना चाहिए। यह इंगित करना भी महत्वपूर्ण है कि ठोस-तरल इंटरफेस, हालांकि, पूरी तरह से सुचारू नहीं हो सकता है। इसके अलावा, यदि ठोस तरल इंटरफेस परमाणु रूप से चिकना था, तो ठोस से जुड़ने की कोशिश करने वाले इंटरफेस के पास परमाणुओं के पास जुड़ने के लिए कोई जगह नहीं होगी जब तक कि एक नया द्वीप नाभिक (परमाणु कदम के किनारे पर जुड़ते हैं), जिससे एक बेहद धीमी विकास प्रक्रिया होती है। इसलिए, जमा किए गए परमाणुओं को जोड़ने और नैनोवायर के विकास को आगे बढ़ाने के लिए "खुरदरी" ठोस सतहों, या बड़ी संख्या में सतह परमाणु चरणों वाली सतहों (आदर्श रूप से 1 परमाणु चौड़ी, बड़ी विकास दर के लिए) की आवश्यकता होती है। वृद्धि तंत्र उत्प्रेरक बूंदों का निर्माण उपयोग की जाने वाली सामग्री प्रणाली के साथ-साथ निर्वात प्रणाली की सफाई और इसलिए संदूषण की मात्रा और/या प्रयोग के दौरान बूंद और वेफर सतह पर ऑक्साइड परतों की उपस्थिति, दोनों बूंद/सतह इंटरफेस पर मौजूद बलों के पूर्ण परिमाण को बहुत प्रभावित करते हैं और बदले में, बूंदों के आकार को निर्धारित करते हैं। बूंद का आकार, अर्थात। संपर्क कोण (β0, चित्र 4 देखें) को गणितीय रूप से मॉडल किया जा सकता है, हालांकि, विकास के दौरान मौजूद वास्तविक बलों को प्रयोगात्मक रूप से मापना बेहद मुश्किल है। फिर भी, एक क्रिस्टलीय सब्सट्रेट की सतह पर एक उत्प्रेरक कण का आकार सतह तनाव के बलों और तरल-ठोस इंटरफेस तनाव के संतुलन से निर्धारित होता है। बूंद की त्रिज्या संपर्क कोण के साथ भिन्न होती हैः जहां r0 संपर्क क्षेत्र की त्रिज्या है और β0 को एक संशोधित यंग के समीकरण द्वारा परिभाषित किया गया हैः, यह सतह (σs) और तरल-ठोस इंटरफेस (σls) तनावों के साथ-साथ एक अतिरिक्त रेखा तनाव (τ) पर निर्भर करता है जो तब प्रभावी होता है जब बूंद की प्रारंभिक त्रिज्या छोटी (नैनोसाइज़्ड) होती है। जैसे-जैसे एक नैनोवायर बढ़ने लगता है, इसकी ऊंचाई एक मात्रा डी. एच. से बढ़ जाती है और संपर्क क्षेत्र की त्रिज्या एक मात्रा डी. आर. से कम हो जाती है (चित्र 4 देखें)। जैसे-जैसे वृद्धि जारी रहती है, नैनोवायर्स के आधार पर झुकाव कोण (α, व्हिस्कर वृद्धि से पहले शून्य के रूप में निर्धारित) बढ़ता है, जैसा कि β0: होता है। इसलिए रेखा तनाव उत्प्रेरक संपर्क क्षेत्र को बहुत प्रभावित करता है। इस निष्कर्ष से सबसे महत्वपूर्ण परिणाम यह है कि अलग-अलग रेखा तनाव के परिणामस्वरूप अलग-अलग विकास के तरीके होंगे। यदि रेखा तनाव बहुत अधिक है, तो नैनोहिलॉक वृद्धि होगी और इस प्रकार विकास को रोक दिया जाएगा। नैनोविस्कर व्यास नैनोवायर का व्यास जो उगाया जाता है, मिश्र धातु की बूंद के गुणों पर निर्भर करता है। नैनो आकार के तारों के विकास के लिए सब्सट्रेट पर नैनो आकार की बूंदों को तैयार करने की आवश्यकता होती है। एक संतुलन स्थिति में यह संभव नहीं है क्योंकि एक धातु की बूंद की न्यूनतम त्रिज्या इस प्रकार दी जाती है जहाँ Vl बूंद का मोलर आयतन है, σlv तरल-वाष्प सतह ऊर्जा है, और s वाष्प की अति संतृप्ति की डिग्री है। यह समीकरण बूंद के न्यूनतम व्यास को प्रतिबंधित करता है, और किसी भी क्रिस्टल को जो इससे उगाया जा सकता है, आमतौर पर नैनोमीटर स्तर से ऊपर की स्थितियों में। छोटी बूंदों को उत्पन्न करने के लिए कई तकनीकें विकसित की गई हैं, जिनमें सब्सट्रेट पर कम डाइल्यूशन में फैले मोनोडिस्पर्ड नैनोपार्टिकल्स का उपयोग और एक सब्सट्रेट-उत्प्रेरक मिश्रण का लेजर एब्लेशन शामिल है ताकि एक प्लाज्मा बनाया जा सके जो उत्प्रेरक के अच्छी तरह से अलग किए गए नैनोक्लस्टर्स को प्रणाली के ठंडा होने पर बनाने की अनुमति देता है। व्हिस्कर वृद्धि गतिविज्ञान वी. एल. एस. व्हिस्कर वृद्धि के दौरान, जिस दर से मूंछें बढ़ती हैं, वह व्हिस्कर व्यास पर निर्भर करती हैः व्हिस्कर व्यास जितना बड़ा होगा, नैनोवायर अक्षीय रूप से उतनी ही तेजी से बढ़ेगा। ऐसा इसलिए है क्योंकि धातु-मिश्र धातु उत्प्रेरक () का अति संतृप्ति नैनोहिस्कर वृद्धि के लिए मुख्य प्रेरक बल है और घटते व्हिस्कर व्यास के साथ घटता है (जिसे गिब्स-थॉमसन प्रभाव के रूप में भी जाना जाता है): फिर से, नैनोहिस्कर वृद्धि (धातु की बूंद का अति-संतृप्ति) के लिए मुख्य प्रेरक शक्ति है। अधिक विशेष रूप से, वाष्प और ठोस व्हिस्कर चरण में जमा करने वाली प्रजातियों (उपरोक्त उदाहरण में सी) की रासायनिक क्षमता के बीच का अंतर है। एस. आई. का परमाणु आयतन और तार की सतह की विशिष्ट मुक्त ऊर्जा होने के साथ-साथ व्हिस्कर वृद्धि (जब) को आगे बढ़ाने वाला प्रारंभिक अंतर है। उपरोक्त समीकरण की जांच से वास्तव में पता चलता है कि छोटे व्यास (100 एनएम) व्हिस्कर विकास के लिए छोटे प्रेरक बलों को प्रदर्शित करते हैं जबकि बड़े तार व्यास बड़े प्रेरक बलों को प्रदर्शित करते हैं। संबंधित विकास तकनीक लेजर-सहायता प्राप्त विकास में उच्च शक्ति (~ 100 एमजे/पल्स) लघु (10 हर्ट्ज) लेजर दालों के साथ सतह को विकिरणित करके धातु युक्त ठोस लक्ष्यों से सामग्री को हटाना शामिल है, आमतौर पर प्रकाश स्पेक्ट्रम के पराबैंगनी (यूवी) क्षेत्र में तरंग दैर्ध्य के साथ। जब इस तरह के लेजर पल्स को एक ठोस लक्ष्य द्वारा अवशोषित किया जाता है, तो लक्ष्य के सतह क्षेत्र से सामग्री लेजर ऊर्जा को अवशोषित करती है और या तो (ए) सतह से वाष्पित या उदात्त हो जाती है या (बी) प्लाज्मा में परिवर्तित हो जाती है (लेजर एब्लेशन देखें)। इन कणों को आसानी से सब्सट्रेट में स्थानांतरित किया जाता है जहां वे न्यूक्लिएट कर सकते हैं और नैनोवायर में विकसित हो सकते हैं। लेजर-सहायता प्राप्त विकास तकनीक विशेष रूप से उच्च पिघलने वाले तापमान, बहु-घटक या डोप्ड नैनोवायर के साथ-साथ अत्यधिक उच्च क्रिस्टलीय गुणवत्ता वाले नैनोवायर को विकसित करने के लिए उपयोगी है। लक्ष्य पर लेजर पल्स घटना की उच्च तीव्रता अत्यधिक उच्च तापमान प्रतिरोधी या इलेक्ट्रॉन बमबारी हीटिंग का उपयोग करके सामग्री को वाष्पित करने की कोशिश किए बिना उच्च पिघलने बिंदु सामग्री के जमाव की अनुमति देती है। इसके अलावा, लक्ष्य केवल सामग्रियों के मिश्रण या यहां तक कि एक तरल से भी बनाए जा सकते हैं। अंत में, लेजर अवशोषण प्रक्रिया के दौरान गठित प्लाज्मा आवेशित कणों के जमाव के साथ-साथ लक्ष्य घटकों के बीच प्रतिक्रियाओं के सक्रियण बाधा को कम करने के लिए एक उत्प्रेरक साधन की अनुमति देता है। तापीय वाष्पीकरण कुछ बहुत ही दिलचस्प नैनोवायर सूक्ष्म संरचनाओं को केवल ठोस पदार्थों को तापीय रूप से वाष्पित करके प्राप्त किया जा सकता है। इस तकनीक को दोहरे क्षेत्र वाली वैक्यूम भट्टी से बने अपेक्षाकृत सरल सेटअप में किया जा सकता है। भट्टी के गर्म छोर में वाष्पीकरण स्रोत सामग्री होती है, जबकि वाष्पीकृत कण भट्टी के ठंडे छोर तक (वाहक गैस के माध्यम से) नीचे की ओर वाहक होते हैं, जहां वे अवशोषित कर सकते हैं, नाभिक बना सकते हैं और एक वांछित सब्सट्रेट पर बढ़ सकते हैं। धातु-उत्प्रेरित आणविक बीम एपिटैक्सी आणविक बीम एपिटैक्सी (एमबीई) का उपयोग 2000 से वीएलएस विकास तंत्र पर आधारित उच्च गुणवत्ता वाले अर्धचालक तार बनाने के लिए किया जा रहा है। हालांकि, धातु-उत्प्रेरित एमबीई में धातु के कण अग्रदूतों के बीच प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित नहीं करते हैं, बल्कि वाष्प चरण के कणों को अवशोषित करते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि तरल अवस्था में प्रवेश करके वाष्प की रासायनिक क्षमता को काफी कम किया जा सकता है। एमबीई अल्ट्रा-हाई वैक्यूम (यूएचवी) स्थितियों के तहत किया जाता है जहां स्रोत परमाणुओं या अणुओं का माध्य-मुक्त-मार्ग (टकराव के बीच की दूरी) मीटर के क्रम पर होता है। इसलिए, वाष्पित स्रोत परमाणु (मान लीजिए, एक प्रवाह कोशिका से) सब्सट्रेट की ओर निर्देशित कणों की किरण के रूप में कार्य करते हैं। प्रक्रिया की विकास दर बहुत धीमी है, निक्षेपण की स्थिति बहुत साफ है, और इसके परिणामस्वरूप अन्य निक्षेपण विधियों की तुलना में चार बेहतर क्षमताएं उत्पन्न होती हैंः यू. एच. वी. स्थितियां बढ़ती संरचनाओं के ऑक्सीकरण/संदूषण की मात्रा को कम करती हैं अपेक्षाकृत कम विकास तापमान नैनो-आकार की विषम संरचनाओं के अंतर-प्रसार (मिश्रण) को रोकता है बहुत पतली-फिल्म विश्लेषण तकनीकों का उपयोग इन-सीटू (विकास के दौरान) किया जा सकता है, जैसे कि परावर्तन उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विवर्तन (आर. एच. ई. ई. डी.) सब्सट्रेट की सतह पर सूक्ष्म संरचना के साथ-साथ रासायनिक संरचना की निगरानी के लिए, ऑगर इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके। नैनोवायर संरचनाओं जैसे "हैशटैग" का बॉटम-अप संश्लेषण यह तकनीक मोनोक्रिस्टलाइन इनएसबी नैनोवायर नेटवर्क का बॉटम-अप संश्लेषण है, जो चार पार किए गए जंक्शनों या "हैशटैग" के नेटवर्क बनाता है और अलग-अलग सुपरकंडक्टिंग द्वीपों का विकास भी करता है। प्रयुक्त प्रक्रिया में खाइयों के साथ एक सब्सट्रेट बनाना और झुके हुए पहलुओं पर सोने की बूंदों को जमा करना शामिल है, दोनों क्रियाएँ इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोग्राफी के माध्यम से होती हैं। वाष्प-तरल-ठोस तंत्र के माध्यम से, नैनोवायर सोने की बूंदों के ऊपर बढ़ते हैं और जैसे-जैसे पहलू और सोने की बूंदें झुकी होती हैं, नैनोवायर एक दूसरे की ओर बढ़ते हैं, एक नेटवर्क में संलयन करते हैं। संदर्भ बाहरी लिंक लैब लाइबर रिसर्च ग्रुप होम पेज में बढ़ते क्रिस्टल-हार्वर्ड विश्वविद्यालय नैनोमटेरियल्स रासायनिक प्रक्रियाएं दाः नैनोट्र d#Fremstilling