Preparation of silicon-based nanowires through high-temperature annealing

Abstract

This paper explores the effects of process parameters on the structure and morphology of silicon-based nanowires. Specifically, the substrate of silicon was annealed at high temperature or with a metal catalyst, such that numerous silicon-based nanowires were grown on the silicon wafer. Through the adjustment of process parameters, SiO2 nanowires, Si3N4 nanowires and SiOxNy nanowires were produced with different morphologies. The process parameters that affect the final structure were determined as the carrier gas for annealing, the type of metal catalyst and the substrate surface. After that, the morphology of the nanowires was characterized by scanning electron microscopy (SEM), the composition of the nanowires was tested by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and the relationship between the microstructure of the nanowires and various parameters was analyzed by transmission electron microscopy (TEM). The results show that the Si3N4 nanowires and SiOxNy nanowires are single crystals requiring harsh preparing processes, while SiO2 nanowires were amorphous and have low requirements on the growth environment. In addition, the optical properties of SiO2 nanowire film and SiOxNy nanowire film were characterized, proving their ultra-bright whiteness. The research findings lay the theoretical basis for the controlled growth of silicon-based nanowires, and provide a simple and efficient method for batch growth of nanowires. RÉSUMÉ. Cet article explore les effets des paramètres de processus sur la structure et la morphologie des nanofils en silicium. Plus précisément, le substrat de silicium a été recuit à haute température ou avec un catalyseur métallique, de sorte que de nombreux nanofils en silicium ont été développés sur la plaquettes de silicium. Grâce à l'ajustement des paramètres de processus, des nanofils de SiO2, de Si3N4 et de SiOxNy ont été produits avec différentes morphologies. Les paramètres du procédé qui affectent la structure finale ont été déterminés en tant que gaz vecteur du recuit, type de catalyseur métallique et surface du substrat. Après cela, la morphologie des nanofils a été caractérisée par microscopie électronique à balayage (MEB en anglais), la composition des nanofils a été testée par l’analyse dispersive en énergie (EDS en anglais) et la relation entre la microstructure des nanofils et divers paramètres a été analysée par la microscopie électronique en transmission (MET en anglais). Les résultats montrent que les nanofils Si3N4 et les nanofils SiOxNy sont des monocristaux nécessitant un processus de préparation rigoureux, tandis que les nanofils SiO2 sont amorphes et ont de faibles exigences en matière de croissance. De plus, les propriétés optiques des films de 150 ACSM. Volume 42 – n° 1/2018 nanofils de SiO2 et de SiOxNy ont été caractérisées, prouvant leur blancheur ultra-brillante. Les résultats de la recherche jettent les bases théoriques de la croissance contrôlée des nanofils en silicium et constituent une méthode simple et efficace pour la croissance par lots de nanofils.