Platinum Nanoparticle Deposition on the Silicon Surface by Galvanic Replacement in DMSO Medium

Abstract

Наведено результати досліджень формування наночастинок платини (Pt NPs) на поверхні кремнію методом гальванічного заміщення (GR) у фторвмісному розчині H2[PtCl6] в диметилсульфоксиді (DMSO). Встановлено умови процесу осадження Pt NPs на поверхні підкладки. Показано, що у широкому діапазоні концентрацій прекурсора платини (1-4 ммол∙л – 1) і температури (30-50 °С) формуються дискретні сфероподібні наночастинки металу (Pt NPs) діаметром від 20 до 200 нм з рівномірним розподілом по поверхні підкладки. Головними факторами впливу на геометрію наночастинок є концентрація H2[PtCl6], температура та тривалість GR. Зі збільшенням значень цих факторів розміри частинок зростають. Ультразвук пришвидшує процес GR, що спричиняє збільшення розмірів Pt NPs, а також сприяє формуванню металевої плівки на кремнієвій поверхні. Показано, що концентрація іонів платини та середовище DMSO за GR є одним із основних чинників впливу на розміри дискретних частинок із невеликим діапазоном за розмірами та рівномірним розподілом по поверхні підкладки. Встановлено, що з підвищенням температури від 30 до 50 °С спостерігається зміна структури осаду платини від дискретної до утворення агломератів, що зумовлено значним зростанням швидкості електрогенеруючої реакції на анодних ділянках поверхні. Виявлено, що збільшення тривалості GR від 30 до 60 с сприяє щільності заповнення поверхні кремнію. Наведено результати досліджень впливу молекул органічного апротонного розчинника на геометрію металевих частинок та їх розподіл по поверхні підкладки. Отримано наноструктури платини з доброю адгезією до поверхні підкладки.

The results of studies of the formation of platinum nanoparticles (Pt NPs) on the silicon surface by galvanic replacement (GR) in a fluoride-containing solution of H2[PtCl6] in dimethyl sulfoxide (DMSO) are presented. The conditions of the deposition process of Pt NPs on the substrate surface are established. It is shown that in a wide range of platinum precursor concentrations (1-4 mmol∙l – 1) and temperature (30- 50 °С), discrete spherical metal nanoparticles (Pt NPs) with a diameter of 20 to 200 nm with uniform distribution on the substrate surface are formed. The main factors influencing the geometry of nanoparticles are the concentration of H2[PtCl6], temperature and duration of GR. As the values of these factors increase, the particle size increases. Ultrasound accelerates the GR process, which increases the size of Pt NPs and promotes the formation of a metal film on the silicon surface. It is shown that concentrations of platinum ions and DMSO medium during GR are one of the main factors influencing the size of discrete particles with a small size range and uniform distribution on the substrate surface. It was found that with increasing temperature from 30 to 50 °C there is a change in the structure of platinum sediment from discrete to the formation of agglomerates, which is due to a significant increase in the rate of electrogeneration reaction at the anode surfaces. It was found that increasing the duration of the GR process from 30 to 60 s contributes to the filling density of the silicon surface. The results of studies of the influence of organic aprotic solvent molecules on the geometry of metal particles and their distribution on the substrate surface are obtained. Nanostructures of platinum with good adhesion to the substrate surface were obtained.