Изготовление ректификационных нанодатчиков с помощью диэлектрофореза на постоянном токе Выравнивание нанопроволок ZnO

Введение

ZnO представляет собой металлооксидный полупроводник n-типа с прямой запрещенной зоной 3,37 эВ. В последнее время нанопроволоки (ННК) ZnO привлекли интерес из-за их потенциального использования в ультрафиолетовых (УФ) сенсорах [1] из-за их высокого отношения поверхности к объему, высоких скоростей генерации и рекомбинации электронов и дырок, высокой проводимости и отсутствия помех. токсичность. Для синтеза ННК ZnO использовались различные методы, такие как процессы переноса паровой фазы [2], химическое осаждение из паровой фазы (CVD) [3] и гидротермальные методы [4, 5]. Среди этих методов гидротермальный метод является наиболее экономичным для массового производства.

В последние годы появились сообщения об исследованиях по изготовлению высокопроизводительных УФ-сенсоров на основе ZnO NW [6,7,8,9,10]. В котором значительное снижение темнового тока могло улучшить чувствительность датчиков. Выпрямительные ВАХ устройств, которые включают как pn переход, так и контактные диоды Шоттки, могут достичь этой цели [11,12,13,14,15,16]. Использование диода Шоттки может не только улучшить чувствительность устройств, но и уменьшить время отклика. Однако в предыдущих исследованиях изготовление нанопроволочных диодов Шоттки было очень сложным. Например, один конец нанопроволоки ZnO приводится в контакт с электродом из Cu или Pt посредством диэлектрофоретического осаждения, для создания контакта Шоттки используются методы размещения или электронно-лучевой литографии, а на другом конце формируется омический контакт путем осаждения Pt / Ga с использованием FIB. [11,12,13]

Диэлектрофорез (DEP) - один из методов, который обычно используется для выравнивания ННК при изготовлении сенсоров в структурах металл-полупроводник-металл, поскольку это простой и недорогой метод, который может использоваться не только для выравнивания одиночных ННК, но и для выравнивания по большой площади многосегментных ННК. Диэлектрические ННК могут точно совмещаться с электродами, когда ННК подвергаются воздействию неоднородного электрического поля, создаваемого переменным током (AC). Возможно, устройства с выпрямляющими ВАХ формировались в процессах DEP-юстировки. [17, 18] Однако направления на исправление нельзя было ожидать. В нашей предыдущей работе [19] устройства Si NW с выпрямляющими ВАХ были изготовлены методом DEP на постоянном токе (DC) и асимметричным локальным джоулевым нагревом в процессе электрических измерений. Направление выпрямления можно определить по направлению развертки напряжения.

Это исследование представляет собой простой метод изготовления управляемого направления выпрямления выпрямительного устройства, которое демонстрирует выравнивание ZnO NW DEP с помощью постоянного электрического поля. Было обнаружено, что такое устройство обладает превосходными свойствами для восприятия ультрафиолетового света.

Методы

Во-первых, дегидрат ацетата цинка (Zn (CH ₃ COO) ₂ · 2H ₂ O) растворяли в смешанном растворе моноэтаноламина (C ₂ H ₇ NO) и изопропиловый спирт (C ₃ H ₈ О). Концентрация ацетата цинка и этаноламина составляла 0,75 М. Полученный раствор перемешивали при 60 ° C в течение 120 мин с получением гомогенного коллоидного раствора, который служил раствором для покрытия. Коллоидный раствор для покрытия (40 мкл) был нанесен по каплям на 1 × 1 см ² Подложки Si для нанесения покрытия методом центрифугирования. Подложки сушили при 100 ° C в течение 30 мин, а затем отжигали при 300 ° C в течение 30 мин. Полученные в результате подложки далее именуются «предварительно обработанными подложками».

Растворы для выращивания ZnO получали смешиванием ацетата цинка (0,04 М) с гексаметилентетрамином (ГМТА) (0,04 М), при этом их объемное соотношение поддерживали на уровне 1:1. Предварительно обработанные подложки погружали в ростовой раствор ZnO (150 мл) на 60 мин при 90 ° C. Затем подложки вынимали из раствора, промывали деионизированной водой и, наконец, сушили на воздухе. Полученные подложки представляли собой подложки Si, на которых размещались массивы ZnO NW.

Электроды Au / Ti с шагом 2 мкм наносились на подложки Si методом электронно-лучевого напыления. Матрицу ZnO NW погружали в раствор изопропилового спирта (4 мл) и обрабатывали ультразвуком в течение 15 мин. ННК ZnO падали с подложки Si и диспергировались в растворе. Капля суспензии ZnO NW с определенной концентрацией капала на электродную систему, а затем электрическое поле постоянного тока прикладывалось к паре электродов с использованием измерителя мощности (Keithley, 2612A). Сток и исток были подключены к положительному напряжению и земле соответственно. На рисунке 1 показана экспериментальная установка электродной системы.

Схема выравнивания ZnO NW с помощью DC DEP на золотых электродах

Морфология поверхности образцов изучалась методом автоэмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FESEM, JEOL, JSM-6700F). Атомные изображения нанопроволок были получены с использованием просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения (HRTEM, JOEL, JEM-2100F). Кристаллическую структуру нанопроволок охарактеризовали методом рентгеновской дифракции (XRD, Mac Science, MXP-III).

Результаты и обсуждение

На рис. 2а, б показаны вид сверху и поперечное сечение СЭМ-изображений массивов ZnO NW, выращенных гидротермальным методом, соответственно. ННК ZnO имели гексагональную форму, средний диаметр 120 нм и длину 3,5 мкм. На рис. 2c показано ПЭМ-изображение индивидуальной ННК ZnO, которая представляет собой монокристаллическую структуру и направление роста [001], что подтверждается ПЭМ-изображением с атомным разрешением на рис. 2d.

а Вид сверху и б поперечные сечения SEM-изображений массивов ZnO NW, изготовленных методом DC-DEP. c ПЭМ-изображение ZnO NW. г Электронно-микроскопическое изображение ZnO NW с атомным разрешением соответствует красному квадрату на c . На вставке - паттерны SAD ZnO NW

Концентрация исходной суспензии ZnO NW, по оценкам, составляла примерно 2,5 × 10 ⁶ # / мкл. Исходную суспензию ZnO NW разбавляли в 20 раз и капали на разделенные Au / Ti электроды с постоянным смещением от 1 до 7 В в процессе выравнивания DEP. ННК ZnO выровнены поперек электродов Au / Ti, параллельно друг другу при напряжении от 1 до 3 В; плотность выровненных ННК ZnO увеличивалась с приложенным смещением (Дополнительный файл 1:Рис. S1). Однако, когда приложенное напряжение превышает 4 В, электроды легко ломаются (дополнительный файл 1:рис. S2). Плотность выровненных ННК ZnO контролировали, варьируя концентрацию суспензии ННК ZnO. Поэтому для изготовления отдельного устройства ZnO NW с целью измерения его электрических свойств использовались различные концентрации суспензий ZnO NW при приложенных напряжениях 1, 2 и 3 В. На рис. 3 представлены ВАХ изготовленного образца. Устройства ZnO NW с напряжениями 1, 2 и 3 В, подаваемыми на электрод стока в процессе выравнивания DEP. Выпрямляющее поведение наблюдалось, когда приложенное напряжение составляло 3 В. ВАХ примерно 70% устройств демонстрировали выпрямительное поведение, а кривые других устройств имели контактное сопротивление. Когда приложенное напряжение было меньше 2 В, почти все устройства имели высокое контактное сопротивление.

ВАХ отдельного устройства ZnO NW с напряжениями 1, 2 и 3 В, приложенными к электроду стока в процессе выравнивания DEP

На рис. 4 показано СЭМ-изображение отдельного устройства ZnO NW, которое было изготовлено с использованием напряжения 3 В в процессе выравнивания и показало выпрямляющую ВАХ. Изображения ПЭМ и анализ дифракции электронов в выбранной области (SAED) этого выпрямляющего устройства показаны на рис. 5. Кристаллические структуры на сторонах истока и стока и в середине нанопроволоки были такими же, как у ZnO NW до выравнивания, Это означает, что процесс выравнивания не наносит значительного структурного повреждения нанообъектам. Чтобы понять, почему ВАХ демонстрирует выпрямляющее поведение, химический состав границ раздела ZnO / Au на обоих концах ZnO NW был определен с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS), как показано на рис. 6 Профиль «концентрация-расстояние» Au означает, что Au диффундировал от электрода к ZnO NW. Обе атомные концентрации Zn и O на расстоянии около 60–140 нм от границы раздела ZnO / Au составляли около 50%. По направлению к границе концентрация Zn сначала немного увеличивалась, а затем быстро снижалась, а концентрация O медленно снижалась. Мы предполагаем следующие причины. Интерфейс ZnO / Au проявлял контактные сопротивления, когда ZnO NW адсорбировался на обоих электродах Au в процессе выравнивания DEP. Температура контактов ННК / электрод увеличивалась при прохождении большого потока электронов через контакты из-за джоулева нагрева [20], который заставлял атомы Au диффундировать от электродов Au к внутренним ННК ZnO. Атомы Zn были вытеснены внутрь ZnO NW и образовались вакансии Zn.

СЭМ-изображение отдельного устройства ZnO NW, которое было изготовлено с использованием напряжения 3 В в процессе юстировки и показало выпрямляющую ВАХ

а ПЭМ-изображения отдельного устройства ZnO NW, которое было изготовлено с использованием напряжения 3 В в процессе юстировки и показало выпрямляющую ВАХ. Атомное электронно-микроскопическое изображение стороны стока ZnO NW, и площадь соответствует левому квадрату на a . Атомное ПЭМ-изображение середины ZnO NW и области соответствует среднему квадрату на a . Атомное ПЭМ-изображение со стороны источника ZnO NW и площади соответствует правому квадрату на a

Химический состав границ раздела ZnO / Au по обе стороны от ZnO NW был определен с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS). ПЭМ-изображения a слить и b стороны источника ZnO NW. c Профили концентрационного расстояния Zn, O и Au вдоль c AA ′ и d BB 'показаны на a , b соответственно

Рисунок 6 показывает, что концентрация Au на стороне стока выше, чем на стороне истока, что указывает на то, что температура на стороне стока была выше, чем на стороне истока, из-за эффекта асимметричного джоулева нагрева. Кроме того, несколько устройств, которые были изготовлены со смещением постоянного тока 3 В, были деформированы на стороне стока, как показано в Дополнительном файле 1:Рис. S3. Для устройств, которые были изготовлены с приложенным смещением 5 В и 7 В постоянного тока, анодные области были серьезно повреждены из-за плавления, а затем катодных областей, как показано в Дополнительном файле 1:Рис. S2. Эти явления также указывают на то, что джоулева нагревание было асимметричным.

Для исследования светочувствительных свойств выпрямляющего устройства на основе ZnO NW на устройства вертикально направлялся УФ-свет 365 нм с различной интенсивностью, в то время как соответствующие характеристики фотоотклика регистрировались. На рис. 7а представлены ВАХ этого устройства, которые показывают, что фототок мог быть индуцирован. На рис. 7б, в показан зависящий от времени фотоотклик этого выпрямительного устройства при периодическом освещении. Более высокая чувствительность была достигнута при обратном смещении устройства. Светочувствительность (S) рассчитывалась с использованием следующего уравнения [21],

где I _{УФ / видимый} и я _темный - токи, измеренные соответственно при освещении и в темноте. Время отклика и время восстановления определяются как время, необходимое датчику для достижения 90% своего устойчивого сопротивления и возврата к 10% от значения. [22] Как показано на рис. 7b, когда устройство находилось под УФ-возбуждением при + 3 В в режиме прямого смещения, ток увеличивался с ~ 2,5 до ~ 5,75 мкА. Чувствительность составляла 2,3, а время отклика и восстановления составляло 1,8 и 4,9 с соответственно. С другой стороны, когда устройство находилось под возбуждением УФ-светом при -3 В в режиме обратного смещения, как показано на рис. 7c, ток резко увеличивался с 0,1 до 200 нА. Чувствительность составила 2000, что в 870 раз больше, чем у устройства в режиме прямого смещения. Время отклика и время восстановления составили 0,1 и 0,145 с соответственно, что было намного короче, чем в режиме прямого смещения. Детектор Шоттки Pt (Ga) -ZnO NW-Pt, изготовленный Zhou et al. [13] демонстрирует чувствительность 1500 при 1 В в режиме обратного смещения при УФ-излучении 365 нм. Время отклика и время восстановления составили 0,6 и 6 с. По сравнению с их устройством, устройство в этой работе имеет более высокую скорость отклика и восстановления, а также более простой процесс изготовления. Таким образом, этот метод можно рассматривать для изготовления других диодов Шоттки на основе полупроводниковых нанопроволок. На рисунке 7d показан фототок ( I _P ) датчика на основе ZnO-NW при -3 В в режиме обратного смещения может соответствовать простому степенному закону, I _P ∝ P ^0,64 , где P - сила света. Показатель, отличный от единицы, является результатом сложного процесса генерации, захвата и рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике. [23]

а ВАХ сенсора на основе ZnO-NW при облучении светом разной интенсивности 365 нм. б Фотоотклик датчика на основе ZnO-NW с временным разрешением при + 3 В в режиме обратного смещения при белом УФ-освещении при включении и выключении. c Фотоотклик датчика на основе ZnO-NW с временным разрешением при –3 В в режиме обратного смещения при белом УФ-освещении при включении и выключении. г Фототок датчика на основе ZnO-NW при –3 В в режиме обратного смещения в зависимости от силы света и соответствующей аппроксимирующей кривой с использованием степенного закона

В данной работе устройства имеют структуру металл – полупроводник – металл (М-С-М). Кислород адсорбируется на поверхности ZnO в воздухе и захватывает свободные электроны, что вызывает обеднение области у поверхности. Когда приложенное смещение постоянного тока было меньше 2 В в процессе выравнивания DEP, ZnO NW просто физически адсорбировался на Au-электроде. Интерфейс Au / Zn имеет серьезное контактное сопротивление из-за образования контактов Шоттки. Энергетическая диаграмма представлена ​​на рис. 8а. Таким образом, ток не может протекать через устройство при измерении ВАХ, как показано на рис. 3. Когда приложенное смещение повышается до 3 В, происходит асимметричный джоулев нагрев и происходит десорбция кислорода с образованием границы раздела Au / ZnO. Одновременно с этим происходила диффузия атомов Au от Au-электродов к образовавшимся ННК ZnO и вакансиям Zn. Предыдущее исследование [24] показывает, что ННК ZnO, изготовленные гидротермальным методом, были полупроводниками n-типа с работой выхода 5,28 эВ из-за образования вакансий O. Теоретически граница раздела Au / ZnO проявляла характеристики омического контакта. Когда концентрация вакансий Zn была выше, чем концентрация вакансий O, характеристика нанопроволоки ZnO трансформировалась из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, поскольку вакансии Zn играли акцепторную роль. Таким образом, интерфейс Au / ZnO преобразовал свое электрическое свойство в контакт Шоттки. [19] В этом исследовании асимметричный джоулев нагрев вызвал контакт Шоттки на конце стока и омический контакт на конце истока, как показано на рис. 8b. Следовательно, если приложенного смещения было достаточно для индуцирования джоулева нагрева (3 В), была получена выпрямляющая ВАХ.

Зонные диаграммы структуры Au / ZnO / Au. а Устройство, образованное процессом выравнивания DEP с приложенным смещением постоянного тока менее 2 В. b Устройство, сформированное процессом выравнивания DEP с приложенным смещением постоянного тока 3 В, c темные условия при обратном смещении и d при освещении с обратным смещением. λ ширина истощения

Что касается характеристик фотоотклика, выпрямительное устройство в режиме обратного смещения имело высокую чувствительность и короткое время отклика. Полосная схема устройства с обратным смещением в темноте представлена ​​на рис. 8в. Большая область истощения ( λ ) препятствует прохождению потока носителей и снижает темновой ток. Ультрафиолетовое освещение, диаграмма полос показана на рис. 8г. Фотогенерированные электроны, созданные в обедненной области обратносмещенного перехода Шоттки, захватываются в обедненных областях, которые сокращают обедненную область. Накопленный электрон будет притягивать дырки из электрода в нанопроволоку. Сужение области обеднения вызывает туннелирование дырок в полупроводнике, что приводит к увеличению коэффициента усиления по току, превышающему единицу, и увеличению скорости переноса дырок [23, 25, 26]. Кроме того, pn-переход в нанопроволоке ZnO образует потенциальный барьер, когда фотодетектор смещен в обратном направлении. Таким образом, ВАХ устройства при облучении светом 365 нм не были линейными, как показано на рис. 7а.

В предыдущих исследованиях [17, 18] выпрямительные устройства были изготовлены путем выравнивания ННК ZnO на спаренных электродах с использованием выравнивания DEP, и их выпрямляющее поведение было результатом образования асимметричных контактов в процессе выравнивания DEP. Однако направление исправления было случайным. В нашем предыдущем исследовании [20] выпрямительные ВАХ этих устройств были получены в процессе измерения ВАХ, а направление выпрямления определялось направлением развертки напряжения. В этом исследовании был использован простой производственный процесс. Устройство было изготовлено с помощью постоянного тока в процессе сборки, индуцированной электрическим полем, а направление выпрямления определялось направлением тока.

Выводы

Устройства на основе ZnO NW были изготовлены путем выравнивания монокристаллических NW ZnO поперек Au электродов с использованием метода DC DEP. Могут быть получены выпрямительные ВАХ этих устройств, а направление выпрямления может быть определено направлением тока из-за асимметричного джоулева нагрева в процессе выравнивания DEP. Джоулев нагрев вызвал диффузию атомов Au от электродов Au к внутренним ННК ZnO и образование контакта Шоттки на границе раздела Au / ZnO. Быстрый и чувствительный фотоотклик был достигнут для выпрямительных устройств в режиме обратного смещения за счет инжекции носителей и усиления фототока при УФ-освещении. Эти выпрямляющие устройства на основе ZnO NW потенциально могут использоваться в качестве фотодетекторов и других приложений, таких как логические вентили или датчики.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные и / или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующего автора по разумному запросу.

Сокращения

ZnO:

Оксид цинка

Au:

Золото

Новые версии:

Нанопроволока

UV:

Ультрафиолет

IV:

Текущее напряжение

Cu:

Медь

Pt:

Платина

Ga:

Галлий

FIB:

Фокус ионного пучка

AC:

Переменный ток

DEP:

Диэлектрофорез

DC:

Постоянный ток

HMTA:

Гексаметилентетрамин

ТЕМ:

Просвечивающий электронный микроскоп

SADE:

Выберите область электронной дифракции

EDS:

Энергодисперсионный рентгеновский спектрометр

O:

Кислород