Cơ chếđiển hình được thể hiện qua 3 giai đoạn:
• Tạo ra các giọt hợp kim dạng lỏng trên đế từđó dây được mọc.
• Đưa nguyên liệu mọc dây vào dưới dạng hơi, hơi này sẽ được hấp thụ vào bề
mặt dạng lỏng và được khuếch tán vào trong các giọt hợp kim.
• Sự hấp thụ quá bão hòa và tạo các nhân trên bề mặt phân cách rắn - lỏng và từ đó dẫn tới mọc các dây theo trục tinh thể.
+ Lắng đọng một lớp vàng (Au) mỏng (1-10 µm) lên trên bề mặt đế Silicon đã
được rửa sạch.
+ Bề mặt đế được nâng nhiệt lên tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ cùng tích của Au-Silicon để tạo ra các giọt hợp kim vàng (Au) -Silicon trên bề mặt đế (chiều dày lớp vàng (Au) càng lớn, các giọt có kích thước càng lớn). Việc trộn vàng (Au) với Silicon làm giảm nhiệt độ nóng chảy của hợp kim so với nhiệt độ nóng chảy của của từng nguyên tố.
+ Các hạt vàng (Au) có thể tạo ra các giọt hợp kim ở nhiệt độ trên 363oC và hấp thụ Silicon dạng hơi tới khi đạt trạng thái quá bão hòa Silicon trong vàng (Au). Silicon có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ nóng chảy của Silicon trong hợp kim cùng tích do đó sẽ kết tủa bên ngoài giọt hợp kim quá bão hòa tại bề mặt phân cách giữa Silicon rắn (đế) và hợp kim dạng lỏng do đó các giọt này được đẩy lên từ bề
mặt đế.
Hình 2.3. Quá trình mọc dây nano Silicon theo cơ chế VLS
Đặc điểm nổi bật của quá trình này là dây chỉ mọc tại những vùng có xúc tác kim loại, kích thước và vị trí mọc được quyết định bởi xúc tác. Cơ chế này có thể áp dụng chế tạo các dây có độ bất đẳng hướng cao với các loại xúc tác đa dạng.
Hình dáng của giọt hợp kim có thể biểu diễn bằng mô hình toán học, tuy nhiên các lực tác động thực sự trong quá trình mọc thì rất khó đo đạc thực nghiệm. Hình dạng của hạt xúc tác trên bề mặt tinh thể bị quyết định bởi sự cân bằng lực giữa sức căng bề mặt và sức căng của lớp phân cách rắn- lỏng. Bán kính của giọt có thể tính bởi: sin( ) o o r R β = (1.1) ro là bán kính vùng tiếp xúc,
1 os( )o s ls o T c r δ β =δ δ− − σs là sức căng bề mặt σls là sức căng của mặt phân cách rắn-lỏng
τ là sức căng dài (gây ra bởi hiệu ứng khi bán kính ban đầu của giọt nhỏ cỡ
nano)
Hình 2.4. Cơ chế mọc dây
Khi dây bắt đầu mọc, chiều cao của chúng tăng lên một lượng dh trong khi bán kính của chúng lại giảm đi một lượng dr. Quá trình mọc tiếp tục, góc nghiêng cơ
bản của dây α tăng lên (khi dây chưa mọc, góc nghiêng này bằng 0):
Sức căng dài có ảnh hưởng rất lớn đến diện tích tiếp xúc của xúc tác, nếu sức căng dài quá lớn thì xảy ra sự mọc của các hạt nano dạng các gò và quá trình ngừng lại.
Đường kính dây nano phụ thuộc vào tính chất của các giọt hợp kim. Sự mọc các dây kích thước nano đòi hỏi phải có các hạt kích thước nano trên bề mặt đế. Bán kính nhỏ nhất của các hạt này xác định bởi:
Vl là thể tích mol của giọt
σlv là năng lượng bề mặt phân cách lỏng – hơi s là độ bão hòa
Đây là bán kính nhỏ nhất của hạt để sự mọc có thể xảy ra.