Kinetics of nickel particle formation on silicon substrate with a buffer layer of niobium nitride

Abstract

The size, form and distribution function of catalyst particles define the quality of synthesized arrays of carbon nanotubes. In this work, we study the kinetics of catalyst particle formation from the thin nickel film (9 nm) deposited on the silicon substrate (SiO 2 /Si) with a buffer layer of niobium nitride at the temperature of 880 • C. In the experiment, we have obtained the time dependences of the average radius, average height and concentration of nickel particles. The experimental data are satisfactorily described by simulations based on the wetting transition theory. Comparison of the simulation results and experimental data allows us to estimate the effective interaction potential between the nickel film and buffer layer of niobium nitride. Besides, we have estimated the viscosity of the nickel confirming an undercooled liquid state of the nanosized nickel film at the temperature of 880 • C.

Влияние Шероховатости Барьерного Слоя На Формирования Наночастиц Катализатора Роста Углеродных Нанотрубок

“…Формирование наночастиц катализатора отличается на идеальной и шероховатой поверхности. Как было сказано выше, на идеальной поверхности кинетика и распределения наночастиц катализатора по размеру описывается гидродинамической моделью [11]. Очевидно, что в случае реальной поверхности, ее шероховатость должна определённым образом влиять на смачивание поверхности расплавленной нанокаплей катализатора.…”

“…На результат формирования оказывает влияние взаимодействие катализатора с подложкой. Это взаимодействие для идеально гладкой подложки определяется потенциалом взаимодействия, который определяет кинетику образования наночастиц и их распределение по размерам [11]. Для неидеальной шероховатой поверхности дополнительный вклад в растекание нанокапли катализатора вносит механизм Венциля, при котором расплав заполняет шероховатости, что при смачивании этой поверхности приводит к дополнительному растеканию расплава [16,17].…”

“…Наночастицы формируются из нанокапель расплавленной тонкой пленки катализатора толщиной 2−4 nm, нанесен-ной на поверхность барьерного слоя. Для объяснения кинетики формирования таких нанокапель предложена гидродинамическая модель, которая раскрывает роль взаимодействия катализатора с подложкой [11]. Основным параметром данной модели является потенциал взаимодействия нанокапли катализатора с подложкой, от которого зависит распределения наночастиц катализатора по размерам.…”

Effect of Barrier Layer Roughness on the Formation of Nanoparticles of the Carbon Nanotube Growth Catalyst

“…The formation of catalyst nanoparticles differs on ideal and rough surfaces. As mentioned above, the kinetics and size distribution of catalyst nanoparticles on an ideal surface is described by a hydrodynamic model [11]. Obviously, in the case of a real surface, its roughness should in a certain way affect the wetting of the surface by the molten catalyst nanodroplet.…”

“…Nanoparticles are formed from nanodrops of a melted thin catalyst film 2−4 nm thick deposited on the surface of the barrier layer. To explain the kinetics of the formation of such nanodroplets, a hydrodynamic model is proposed that reveals the role of the interaction of the catalyst with the substrate [11].…”