Исследование фотоэлектрических свойств отдельных Si-нанопроволок и их зависимость от размера

Введение

Кремниевые нанопроволоки (Si ННК) привлекли большое внимание в последние годы из-за их уникальных свойств и совместимости с традиционной кремниевой технологией. Si NW были продемонстрированы для множества приложений, таких как интегральные логические схемы, солнечные элементы, термоэлектрические устройства и биосенсоры [1,2,3,4,5]. В частности, при упорядоченном расположении Si ННК могут значительно улучшить поглощение света и сбор заряда, что позволяет достичь высокой эффективности как в солнечных элементах, так и в фотодетекторах [6,7,8]. В последние десятилетия контролируемый рост таких упорядоченных массивов нанопроволок, а также оптимальное изготовление фотоэлектрических (ФЭ) устройств интенсивно исследуются [9,10,11]. И наоборот, фундаментальных исследований фотоэлектрических характеристик массивов таких Si ННК, особенно отдельных нанопроволок внутри массивов, гораздо меньше.

Чтобы реализовать применение упорядоченных массивов нанопроволок в солнечных элементах и ​​фотоэлектрических устройствах, чрезвычайно важно получить хорошее представление об их фотопроводящих свойствах. В настоящее время фотопроводящие свойства массивов нанопроволок обычно исследуются макроскопическими методами с осаждением двусторонних электродов под действием света [12, 13]. Однако для более точного анализа необходимо получить свойства отдельных или отдельных нанопроволок, а не усредненные результаты. Помимо исследований с применением устройств с одиночной нанопроволокой, которые нелегко изготовить, электрические измерения на основе сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) показали себя как мощные методы для определения электрических характеристик в наномасштабе [14, 15]. Среди этих методов СЗМ чаще всего применялась проводящая атомно-силовая микроскопия (CAFM) для изучения проводящих свойств отдельных наноструктур, таких как пленки, гетероструктуры, а также нанопроволоки [16,17,18,19,20]. В сочетании с лазерным облучением его можно модифицировать как фотопроводящую атомно-силовую микроскопию (PCAFM), которая дает возможность исследовать фотопроводящие свойства отдельных наноструктур [21, 22]. В последние годы PCAFM уже использовался для измерения фототока на органических [23,24,25,26] и неорганических солнечных элементах [27,28,29], а также на некоторых наноструктурах, включая тонкие пленки микрокристаллического Si, гетероструктуры CdS. , MoS ₂ пленки и ННК ZnO [30,31,32,33]. Тем не менее, большинство этих исследований было сосредоточено на влиянии лазерного излучения с различной интенсивностью мощности или длиной волны, в то время как несколько исследований касались влияния размера нанопроволок.

С другой стороны, чтобы получить массив Si ННК с превосходными фотопроводящими свойствами, совершенно необходимо получить их размерную зависимость для оптимизации диаметра и длины нанопроволоки. Следовательно, в последние десятилетия много усилий было направлено на выявление размерной зависимости фотопроводящих свойств с использованием макроскопических методов или устройств с одной нанопроволокой [34, 35]. Что касается зависимости от длины, многие исследования обнаружили, что фототок увеличивался с увеличением длины нанопроволоки ниже определенного значения, варьировался от 1 до 18 мкм, а затем уменьшался по мере дальнейшего увеличения длины [12, 36, 37], в то время как в другом исследовании сообщалось видно, что фотопроводимость сублинейно увеличивается с уменьшением длины [38]. Между тем, результаты зависимости диаметра все еще были очень противоречивыми. Например, работа Kim et al. обнаружили, что фотопроводимость собственных нанопроволок Ge увеличивается с уменьшением диаметра [35], в то время как в других работах, посвященных нанопроволокам GaN, было обнаружено, что фототок увеличивается с увеличением диаметра [39]. Следовательно, зависимость фотопроводящих свойств нанопроволок от размера далека от общего понимания.

В этой статье упорядоченные массивы вертикально ориентированных Si ННК с контролируемыми диаметром и длиной успешно изготовлены методом наносферной литографии (NSL) в сочетании с химическим травлением с использованием металла (MACE), как сообщалось в предыдущих исследованиях [1,40]. Их фотопроводящие свойства исследуются методом PCAFM без каких-либо дополнительных нанофабрикатов. Наши результаты демонстрируют, что фототок, измеренный на отдельных Si ННК, значительно увеличивается с увеличением интенсивности лазера, и эта возрастающая величина, очевидно, связана с размером нанопроволок. Si ННК меньшего диаметра и меньшей длины обладают большей фотопроводимостью. С другой стороны, измерения, выполненные с помощью электростатической силовой микроскопии (EFM) в сочетании с лазерным облучением, предоставили информацию о фотогенерированных зарядах и изменении высоты барьера, что может быть использовано для объяснения зависящей от размера фотоусиленной проводимости Si ННК. Таким образом, это исследование не только выявляет зависящие от размера фотоэлектрические свойства Si ННК, но также предполагает, что PCAFM и EFM являются эффективными инструментами для исследования фотоэлектрических свойств отдельных наноструктур, а также для изучения зависимости от размера (или других параметров). P>

Материалы и методы

Материалы

Пластины Si были закуплены у MTI (Китай). Деионизированная вода (DI, 18,2 МОм см) была получена из системы ультрафильтрации (Milli-Q, Millipore, Мальборо, Массачусетс). Ацетон, метанол, серная кислота, перекись водорода и плавиковая кислота были приобретены у Sinopharm Chemical Reagent (Китай). Суспензии (2,5 мас.% В воде) сфер полистирола (ПС, диаметр 490 нм) были приобретены у Duke Scientific (США).

Изготовление и характеристика Si NW

Вертикально упорядоченные массивы кремниевых нанопроволок были изготовлены NSL и MACE, как сообщалось в предыдущих исследованиях [1,40]. Основные производственные процессы просто описаны ниже. Во-первых, полистирольные сферы (ПС) самоорганизовывались на химически очищенную кремниевую пластину (n-тип, 0,01–0,02 Ом · см). Затем диаметр сфер PS был уменьшен реактивным ионным травлением (RIE, Trion Technology) (50 Вт, 70 мТорр) до желаемого значения, и монослой PS с уменьшенным диаметром действовал как маска в следующих процедурах. После осаждения пленки Au толщиной 20 нм ионным распылением, которое действовало как катализатор для последующей обработки MACE, образец погружали в смешанный раствор HF (40%) и H ₂ О ₂ (30%) с объемным соотношением 4:1 для процесса MACE и вертикально ориентированные Si NW были получены с помощью этой процедуры. Наконец, оставшийся слой Au и сферы PS были удалены путем вымачивания образца в KI / I ₂ . смешанный раствор и раствор тетрагидрофурана соответственно. Морфологию после каждого шага проверяли с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM, SIGMA300). Типичные СЭМ-изображения исходного монослоя самоорганизованного ПК, монослоя ПК с уменьшенным диаметром и изготовленных Si ННК после удаления слоя Au и сфер ПК показаны на рис. 1a – c соответственно. Видно, что упорядоченные массивы вертикально ориентированных Si ННК были получены в большом масштабе. Более того, регулируя время RIE и MACE, диаметр и длину нанопроволок можно хорошо контролировать [40].

а - c СЭМ-изображения основных процедур изготовления вертикально выровненного массива Si ННК: a Самосборный монослой ПС, б монослой ПС с уменьшенным диаметром и c изготовлен массив Si ННК. г Спектр EDX, измеренный на Si ННК. е Принципиальные схемы PCAFM и EFM при лазерном облучении

Кроме того, состав таких нанопроволок измерялся с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX, OXFORD, Aztec X-Max 80). Типичный спектр EDX, измеренный на нанопроволоках Si после погружения в HF, показан на рис. 1d. Результаты показывают, что в нанопроволоках преобладает кремний (~ 95,6%), за исключением следов кислорода (4,4%). Для подтверждения измерения EDX были повторены много раз на разных участках образца, и результаты измерений хорошо согласовывались, при этом концентрация кислорода варьировалась от 0 до 7,2%. Таким образом, можно грубо считать, что изготовленные Si ННК являются чистыми и не содержат каких-либо других примесей, за исключением небольшого окисления на поверхности. Наши результаты хорошо согласуются с результатами предыдущих исследований HRTEM или EDX [41, 42], в которых было обнаружено, что Si ННК, изготовленные тем же методом MACE, в основном могут сохранять свою кристаллическую структуру, и только тонкий аморфный слой наблюдался на поверхности пристенная поверхность ННК [43, 44]. Тонкий SiO ₂ Было обнаружено, что слой сформирован на поверхности пористой нанопроволоки, без каких-либо других примесей, обнаруженных на поверхности [41].

Фотоэлектрические измерения на отдельных Si ННК проводились на коммерческом СЗМ-оборудовании (Multimode V, Bruker Nano Surfaces), как показано на рис. 1e. В PCAFM проводящий наконечник сканировал поверхность образца в контактном режиме с напряжением смещения, приложенным между подложкой и электрически заземленным наконечником, и измерялся результирующий ток. Лазерное излучение вводилось в головку СЗМ по оптоволокну 400 мкм. Диодный лазер 405 нм с регулируемой интенсивностью (DPSS Lasers, MDL-III) фокусировался на подложку, а площадь лазерного пятна составляла около 1 мм ² под наконечником с покрытием Pt / Cr. Чтобы получить стабильные измерения тока при каждой интенсивности лазера, мы должны подождать несколько минут перед измерениями, чтобы уменьшить нестабильное состояние, вызванное изменением интенсивности лазера, насколько это возможно. С другой стороны, для завершения каждого текущего измерения изображения требовалось более десяти минут. Поскольку мы хотим завершить измерение тока при различной интенсивности лазера до того, как нанопроволоки серьезно окислились, интенсивность лазера с относительно большим интервалом (2 Вт / см ² ) варьировалась от 0 до 8 Вт / см ² были выбраны. Изображения фотопроводящего тока, а также ВАХ были измерены на отдельных нанопроволоках при различном лазерном облучении. Используя EFM, как топографию образца, так и фазовый сдвиг, вызванный электрическими силами, можно регистрировать в двухпроходном режиме. На первом проходе изображение топографии было получено в режиме простукивания. Во втором поднятом проходе (наконечник был поднят достаточно высоко, чтобы пренебречь фазовым сдвигом, вызванным силой Ван-дер-Ваальса), между наконечником и образцом было приложено смещение постоянного тока, и был обнаружен сигнал фазового сдвига, определяемый градиентом электрической силы. Подробные принципы работы можно найти в предыдущих исследованиях [45, 46]. Наконечники с покрытием Pt / Cr (Multi75E-G, Budget Sensors, радиус приблизительно 25 нм) применялись во всех электрических измерениях, и все эксперименты проводились в проточном N ₂ окружающий. Каждый образец был предварительно погружен в раствор HF (5%) на 30 с, чтобы удалить оксидный слой на поверхности образца, а затем образец был промыт в проточной деионизированной воде в течение не менее 5 минут, чтобы на поверхности не оставалось HF. Поверхность, за исключением того, что поверхность Si была пассивирована водородом, что могло защитить поверхность Si от повторного окисления и сохранить полупроводниковые характеристики в течение примерно 60 мин [47]. После HF погружения образец был немедленно измерен, чтобы уменьшить влияние оксидного слоя на электрические характеристики, насколько это возможно.

Результаты и обсуждение

Измерения фотопроводящих свойств на одиночных Si НН

В сочетании с лазерным облучением фотопроводящие свойства Si ННК исследуются с помощью PCAFM в зависимости от интенсивности лазера. Типичные токовые изображения, полученные на Si ННК диаметром 190 нм и длиной 800 нм при различном лазерном облучении при смещении образца - 1,5 В, показаны на рис. 2b – f вместе с изображением топографии, показанным на рис. 2a. . Поскольку острие представляет собой клин с большим углом, из-за которого он не может достигать дна, особенно изображения были получены в контактном режиме, наблюдаемые нанопроволоки несколько искажены, и можно измерить только ток на верхней стороне нанопроволоки. В любом случае текущее распределение отдельных нанопроволок можно четко наблюдать из текущих изображений. На текущем изображении без лазерного облучения (рис. 2b) Si ННК демонстрируют немного лучшую проводимость на большинстве краев, чем в центре, что объясняется большей площадью бокового контакта между иглой и нанопроволокой [40]. При лазерном облучении ток Si ННК, очевидно, возрастает с увеличением интенсивности лазера (рис. 2в, г), в то время как проводящая площадь нанопроволок соответственно увеличивается. Чтобы получить четкую связь между фототоком и интенсивностью лазера, средние токи Si ННК рассчитываются по всем нанопроволокам на картах тока, которые представлены на рис. 2g в зависимости от интенсивности лазера. Результаты показывают, что средний ток увеличивается примерно в два раза (с 85 до 146 пА) при увеличении интенсивности лазера с 0 до 8 Вт / см ² . , что указывает на то, что под действием лазерного излучения образуется больше носителей.

Топография ( a ) и текущие изображения Si ННК длиной 800 нм и диаметром 190 нм при различной интенсивности лазерного излучения b 0, c 2, d 4, е 6 и f 8 Вт / см ² . г представляет усредненный ток ( I _av ) по нанопроволоке в зависимости от интенсивности лазера. ч показывает фотоотклик как функцию интенсивности лазерного излучения

В предыдущих исследованиях [32, 48] фотоотклик обычно применялся для описания отклика фотодетекторов, который определялся как:

где I _L и я _D - ток с лазерным облучением и без него соответственно. P _inc представляет собой произведение плотности мощности падающего лазера на эффективную площадь контактной площади между зондом и образцом, q - элементарный заряд и hν это энергия фотона. В нашем случае площадь контакта эффекта составляет примерно 2 × 10 ^–11 см ² при использовании радиуса острия 25 нм, и в результате фотоотклик Si ННК может быть рассчитан как около 2,3 при интенсивности лазера 2 Вт / см ² , что указывает на то, что Si NW обладают отличными возможностями улучшения фото. На рисунке 2h представлена ​​зависимость фотоотклика от интенсивности лазера, и можно видеть, что фотоотклик уменьшается с увеличением интенсивности лазера, но все значения по-прежнему превышают 1. Таким образом, приведенные выше результаты демонстрируют, что лазерное облучение может значительно увеличить интенсивность излучения. проводимость кремниевых нанокристаллов, что указывает на перспективность их применения в фотоприемниках.

Для исследования размерной зависимости фотопроводящих свойств измерения фототока проводились на Si ННК различного диаметра и длины. Типичные текущие изображения Si ННК с одинаковой длиной 350 нм, но разным диаметром от 190 до 350 нм показаны в Дополнительном файле 1:Рис. S1 под 0, 4 и 8 Вт / см ² лазерное облучение при том же смещении образца - 1,5 В. Средние токи Si ННК, рассчитанные по всем нанопроволокам на токовых изображениях, представлены на рис. 3а в зависимости от интенсивности лазера. Видно, что проводимость Si ННК всех диаметров явно возрастает с увеличением интенсивности лазера. При той же интенсивности лазера абсолютные значения тока значительно увеличиваются при уменьшении диаметра с 350 до 190 нм. Эти результаты свидетельствуют о том, что Si ННК меньшего диаметра более электропроводны, чем ННК большего диаметра. Усредненный по интенсивностям лазерного излучения фотоотклик для разных диаметров представлен на рис. 3б. Видно, что фотоотклик уменьшается с увеличением диаметра, а это означает, что Si ННК меньшего диаметра имеют лучшую фотоотклик. С другой стороны, фототок ( I _L - Я _D ) при интенсивности лазера 8 Вт / см ² для разных диаметров показано на рис. 3в. Он ясно показывает, что фототок уменьшается с увеличением диаметра, указывая на то, что Si ННК меньшего диаметра имеют лучшую фотопроводимость.

а Усредненный ток ( I _av ) Si ННК разного диаметра в зависимости от интенсивности лазерного излучения. б Усредненный фотоотклик по интенсивностям лазера в зависимости от диаметров. c Зависимость фототока от диаметра при интенсивности лазера 8 Вт / см ² . г Я _av Si ННК разной длины в зависимости от интенсивности лазера. е Усредненный фотоотклик по интенсивностям лазера в зависимости от длины. е Зависимость фототока от длины при интенсивности лазера 8 Вт / см ²

Аналогичные измерения проводятся на кремниевых ННК одинакового диаметра, но разной длины. Результаты для нанопроволок диаметром 190 нм и длиной от 350 до 960 нм показаны в Дополнительном файле 1:Рис. S2. Средние токи нанопроволок разной длины представлены на рис. 3d. При увеличении интенсивности лазера все нанопроволоки демонстрируют очевидное увеличение проводимости, а более короткие Si ННК имеют большую проводимость в диапазоне интенсивности лазера до 8 Вт / см ² . Фотоотклик и фототок как функция длины нанопроволок при интенсивности лазера 8 Вт / см ² представлены на рис. 3д, е соответственно. Видно, что с увеличением длины от 350 до 960 нм фотоотклик не показывает явной зависимости от длины, а фототок значительно уменьшается с увеличением длины.

Анализ ВАХ и высота барьера Шоттки в зависимости от размера

Как сообщалось в нашей предыдущей работе [40], при измерениях CAFM на Si ННК необходимо особо учитывать сопротивление контакта игла-нанопроволока, в котором барьер Шоттки играет важную роль. Чтобы исследовать роль барьера Шоттки в фотопроводимости и влияние лазерного излучения на высоту барьера, снимают вольт-амперные кривые (ВАХ) на отдельных Si ННК. Типичные ВАХ на Si ННК диаметром 190 нм и длиной 800 нм при различном лазерном облучении представлены на рис. 4а. Все ВАХ демонстрируют типичные ВАХ для контакта металла и полупроводника n-типа, указывая на то, что влияние кислородного слоя на проводимость не является серьезным и поэтому игнорируется в последующем обсуждении. Видно, что с увеличением интенсивности лазера ток кремниевых ННК явно увеличивается. Улучшение может достигать примерно 3 раз при увеличении интенсивности лазера с 0 до 8 Вт / см ² . под смещением -1,5 В, что хорошо согласуется с результатами, полученными по текущим снимкам. Для количественного анализа принята известная модель термоэмиссии для контакта металл – полупроводник [13, 49]. В этой модели ВАХ контакта Шоттки с полупроводником n-типа при наличии последовательного сопротивления можно аппроксимировать как [13]:

где n является идеальным фактором и R _S - последовательное сопротивление. Я _S ток насыщения, который может быть выражен как:

где A - площадь контакта, \ (A ^ {*} \) - постоянная Ричардсона, а φ _B - высота барьера Шоттки (SBH) между металлическим наконечником и нанопроволокой Si. Таким образом, SBH можно получить по формуле:

а Типичные ВАХ Si ННК диаметром 190 нм и длиной 800 нм при различном лазерном облучении. б Значения SBH, полученные при подборе ВАХ в a . Значения SBH в зависимости от диаметра и длины менее 8 Вт / см ² лазерное излучение показано в c , d соответственно

Кривые ВАХ на рис. 4a могут быть хорошо подогнаны уравнением. (2). Чтобы получить значения SBH из тока насыщения, предполагается, что эффективная постоянная Ричардсона \ (A ^ {*} \) приблизительно равна таковой для объемного кремния, то есть 112 А · см ⁻² К ⁻² для кремния n-типа. Предполагается, что площадь контакта составляет 2 × 10 ^–11 . см ² приняв радиус наконечника с покрытием Cr / Pt равным 25 нм. Полученные значения SBH составляют примерно 474, 453, 437, 429 и 416 мэВ для различных интенсивностей лазера 0, 2, 4, 6 и 8 Вт / см ² . соответственно, как показано на рис. 4б. Это демонстрирует, что SBH значительно уменьшается с интенсивностью лазера, которая может вносить основной вклад в фотоусиленную проводимость. Между тем, зависимость SBH от диаметра и длины нанопроволок при одинаковой интенсивности лазера представлена ​​на рис. 4c, d соответственно. Результаты показывают, что Si ННК меньшего диаметра и меньшей длины имеют меньшие значения SBH, что приводит к лучшей фотопроводимости, полученной на таких нанопроволоках. Зависимость SBH от диаметра и длины при различном лазерном облучении показана в Дополнительном файле 1:Рис. S3, что дополнительно подтверждает сделанный выше вывод. Очевидно, что все измеренные значения SBH для Si ННК с различным диаметром и длиной меньше, чем у объемного Si (~ 600 мэВ) [40], и далее уменьшаются с увеличением интенсивности лазера, что указывает на то, что Si ННК могут достигать многообещающих фотопроводящих свойств. для потенциальных приложений.

Следовательно, из приведенных выше результатов можно сделать вывод, что фотопроводящие свойства Si ННК сильно зависят от их диаметра и длины, то есть Si ННК с меньшим диаметром и меньшей длиной демонстрируют лучшую фотопроводимость, что следует отнести к зависимости SBH от размера как выявляется при аппроксимации ВАХ. Точный механизм размерной зависимости SBH пока не ясен. Это может быть связано с интерфейсными состояниями и / или неупорядоченной структурой в шероховатом внешнем слое. Согласно предыдущим исследованиям [50,51,52], заряженные состояния интерфейса могут эффективно уменьшать SBH. Например, в ссылке [50] Yoon et al. предположили, что перенос носителей, индуцированный состоянием границы раздела, будет формировать два противоположно заряженных слоя с отрицательно заряженными поверхностными состояниями и равным количеством положительных зарядов, которые могут генерировать электрическое поле в отличие от встроенного электрического поля, что приводит к эффективному снижению SBH, который сильно зависел от диаметра нанопроволок. Используя моделирование методом конечных элементов и рассматривая нанопроволоку как цилиндрический коаксиальный конденсатор, они обнаружили, что величина снижения барьера будет возрастать по мере уменьшения диаметра нанопроволоки. В нашем случае из-за шероховатой поверхности нанопроволок, изготовленных MACE, при контакте с металлическим острием будет генерироваться большая плотность интерфейсных состояний, что также может эффективно снизить высоту барьера, если принять вышеуказанную точку зрения. Плотность поверхностного состояния увеличивается с уменьшением диаметра нанопроволоки, меньшее значение SBH может быть достигнуто на нанопроволоках меньшего диаметра. Таким образом, Si ННК меньшего диаметра обладают большей проводимостью. Поскольку SBH уменьшается с интенсивностью лазера для всех диаметров, Si ННК меньшего диаметра также демонстрирует большую фотопроводимость.

Однако причину, по которой значения SBH зависят от длины, нельзя интерпретировать с этой точки зрения. Для изготовления более длинных нанопроволок требуется больше времени MACE, что приводит к большему беспорядку или шероховатости поверхности. Различные изменения микроструктуры поверхности могут привести к различным изменениям значений SBH, которые требуют дальнейших исследований, чтобы решить эту проблему. В любом случае, независимо от происхождения зависимости фотопроводящих свойств от размера, зависящее от размера снижение SBH может привести к более высокой проводимости или фотопроводимости, что должно быть полезно для практических приложений.

Сгенерированные фотографии захваченных зарядов и изменение высоты барьера

Для дальнейшей проверки результатов SBH Si ННК, полученных с помощью PCAFM, изображения EFM были измерены на Si ННК при различном лазерном облучении, как показано на рис. 5a – d. Видно, что электростатическая сила индуцировала фазовый сдвиг (Δ Φ ) очевидно возрастает с увеличением интенсивности лазера. Изображение фазового сдвига, полученное в режиме строчной развертки в верхнем центре нанопроволоки, представлено на фиг. 5e, а усредненный фазовый сдвиг по линии сканирования вдоль отмеченной кривой изображен на фиг. 5f. Оба они явно демонстрируют увеличение Δ Φ с интенсивностью лазера.

Изображение топографии Si NW ( a ), изображения с фазовым сдвигом, полученные при различной интенсивности лазера 0 ( b ), 4 ( c ) и 10 Вт / см ² ( д ), соответственно. е Изображение с фазовым сдвигом, полученное в режиме строчной развертки в центре верхней части нанопроволоки. Усредненный фазовый сдвиг по линии сканирования вдоль отмеченной красной кривой в e нанесен на f

Чтобы получить более точную информацию из измерений EFM, Δ Φ было измерено как функция приложенного напряжения ( В _EFM ) при различном лазерном воздействии на определенную одиночную нанопроволоку. Набор Δ Φ ~ V _EFM Кривые, измеренные на Si-нанопроволоке диаметром 190 нм и длиной 800 нм, представлены на рис. 6а в виде рассеянных точек. Видно, что с увеличением интенсивности лазера Δ Φ ~ V _EFM кривые смещаются вниз. Это указывает на то, что больше носителей генерируется и захватывается нанопроволокой [45]. Для количественного анализа система зонд-образец просто рассматривается как плоский конденсатор, и градиент емкостной электростатической силы может вызвать сдвиг фазы при приложении смещения между зондом и образцом. Если заряды захвачены в наноструктурах под действием лазерного излучения, может возникнуть дополнительный фазовый сдвиг, индуцированный кулоновской силой [53]. Фазовый сдвиг, обнаруженный EFM, можно описать как [54, 55]:

где C , V _EFM и V _CPD - емкость, приложенное постоянное напряжение и разность контактных потенциалов между зондом и образцом, соответственно. Q _s количество зарядов, удерживаемых в нанопроволоке, Q - добротность, а k - жесткость пружины зонда, а z расстояние между захваченными зарядами в нанопроволоке.

Δ Φ ~ V _EFM кривые на рис. 6а могут быть хорошо подогнаны с помощью уравнения. (5), показаны сплошными линиями. Из подгоночных параметров V _CPD и Q _s можно получить с помощью Q =186 и k =2,8 Н / м для наконечника с покрытием Pt / Ir [56, 57] и приблизительно z как высота подъема, которые показаны на рис. 6b в зависимости от интенсивности лазера. Видно, что с увеличением интенсивности лазера V _CPD уменьшается, пока захваченный заряд Q _s увеличивать. Как сообщается в литературе [46], изменение V _CPD под воздействием лазерного излучения было связано с изменением концентрации захваченных носителей. Таким образом, уменьшение V _CPD с лазерным облучением в наших экспериментах также можно отнести к увеличению плотности захваченного заряда.

а ∆ Φ ~ V _EFM кривые, измеренные методом EFM на отдельных Si ННК диаметром 190 нм и длиной 800 нм при различном лазерном облучении. б Результаты Qs и V _CPD полученный путем подбора кривых в a в зависимости от интенсивности лазера. Зависимость V от диаметра и длины _CPD at the laser intensity of 8 W/cm ² is presented in c , d соответственно

From the energy diagram given in Additional file 1:Fig. S4, the value of SBH roughly equals to qV _CPD plus E _n (= E _C - E _F ) [40]. As E _n is a constant for all Si NWs made from the same material, the size dependence of V _CPD well represents that of SBH. The results of V _CPD obtained on Si NWs with different diameters and lengths are presented in Additional file 1:Fig. S5 as a function of laser intensity. All of the measured V _CPD for Si NWs with different diameters and lengths decrease with the increased laser intensity. The dependence of V _CPD on nanowires’ diameter and length at the same laser intensity of 8 W/cm ² is shown in Fig. 6c, d, respectively. It can be seen that the V _CPD increases obviously with the increased diameter and increased length, in a good agreement with the size dependence of SBH. Therefore, from the EFM results, it can be suggested the laser irradiation can generate carriers trapped in nanowires, which can induce the lowering of barrier height leading to the enhancement of conductance (Fig. 4).

Заключение

In summary, by a simple and low-cost method without involving any intricated procedures, Si NWs arrays with controllable diameters and lengths are prepared. The photoconductive properties are directly measured on individual Si NWs without complex nanofabrication procedure by the means of PCAFM. The size-dependent conductance of Si NWs is obtained on individual nanowires with different diameters and lengths. The results demonstrate that the photocurrent measured on individual Si NWs increases greatly with the laser intensity, and the increasing magnitude is obviously related to the nanowires’ sizes. Si NWs with smaller diameters and shorter lengths exhibit larger photoconductance. On the other hand, the measurements performed by EFM combined with laser irradiation provided the information of photogenerated charges and contact barrier height, which can be applied to explain the photoconductive properties of Si NWs as well as their size-dependence. Therefore, in this study, the photoelectrical properties are investigated on individual nanowires by PCAFM and EFM, which should be important for both basic understanding and potential applications of nanostructures in optoelectronics and photovoltaics.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные для подтверждения заключения, включены в статью и вспомогательный файл.

Сокращения

Si NWs:

Si nanowires

CAFM:

Conductive atomic force microscopy

PCAFM:

Photoconductive conductive atomic force microscopy

EFM:

Electrostatic force microscopy

PV:

Фотоэлектрические

NSL:

Nanosphere lithography

MACE:

Химическое травление с использованием металла

SPM:

Scanning probe microscopy

PS:

Polystyrene spheres

RIE:

Реактивное ионное травление

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

EDX:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

SBH:

Высота барьера Шоттки

CPD:

Контактная разность потенциалов