Effecten van asymmetrische lokale joule-verwarming op op silicium nanodraad gebaseerde apparaten gevormd door diëlektroforese-uitlijning over Pt-elektroden

Resultaten en discussie

Figuur 2a, b tonen respectievelijk het bovenaanzicht en de dwarsdoorsnede-SEM-afbeeldingen van de Si NW-arrays via MACE in combinatie met NSL. De Si NW's met uniforme geometrie hebben diameters tussen 150 en 200 nm en lengtes tussen 5 en 6 um. Figuur 2c toont het TEM-beeld van een individueel Si NW, dat een monokristallijne structuur is en de preferentiële geëtste richting van [100] heeft, bevestigd door het heldere roosterbeeld getoond in figuur 2d.

een Bovenaanzicht en b transversale SEM-afbeeldingen van Si NW-arrays vervaardigd door MACE in combinatie met NSL. c TEM-beeld van as-gesynthetiseerd Si NW. d Atomaire resolutie TEM-beeld van as-gesynthetiseerd Si NW komt overeen met het rode vierkant in c . De inzet is de SAD-patronen van Si NW

Om het elektrische transport van Si NW's te bestuderen, werden op silicium nanodraad gebaseerde apparaten in metaal-nanodraad-metaalstructuren gefabriceerd terwijl een + -0,5 V DC werd toegepast op de afvoerelektrode in het DEP-uitlijningsproces. Het bovenaanzicht van de Si NW-uitlijning over de Pt-elektroden is duidelijk te zien aan de SEM-afbeelding, zoals weergegeven in figuur 3, waar Si NW's evenwijdig aan elkaar zijn. De dichtheid van de uitgelijnde Si NW's kan worden geregeld door de concentratie van NW's in IPA-oplossing. Er werden twee verschillende methoden gebruikt om de elektrische eigenschappen van de apparaten te meten. Voor methode 1-meting werden de I-V-curven gemeten terwijl de spanning op de afvoerelektrode werd aangelegd door van positief naar negatief te vegen. Voor meting van methode 2 werden de I-V-curven gemeten terwijl de spanning op de afvoerelektrode werd aangelegd door van negatief naar positief te vegen. Verrassend genoeg hebben de apparaten rectificatiegedrag en kan de richting van rectificatie worden bepaald door een spanningszwaairichting zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:Afbeelding S1. Om dit fenomeen te begrijpen, werden de I-V-curven gemeten door verschillende bereiken van zwaaispanning toe te passen op de afvoerelektrode van de apparaten. De zwaaisnelheid wordt getoond in Fig. 4. Figuur 5a laat zien dat de IV-curven werden gemeten terwijl de spanning op de afvoerelektrode werd aangelegd door te vegen van +-1 tot -1 V, + -2 tot -2 V en +  3 tot − 3 V in volgorde, zoals geïllustreerd in de inzet van Fig. 5a. Het toont het corrigerende gedrag duidelijker naarmate het apparaat werd gemeten in het brede spanningsbereik. In figuur 5b werd de IV-rode curve verder gemeten toen de spanning op de afvoerelektrode werd aangelegd door voor de tweede keer van +-1 naar -1V te vegen. De voorwaartse stroom was 9,2 nA bij 0,75 V; de tegenstroom was ongeveer 0,044 nA. De aan-uit-stroomverhouding is ongeveer 200. Het bleek dat het apparaat meer gelijkrichtend werd in vergelijking met de IV-zwarte curve, die eerder werd gemeten in hetzelfde spanningsbereik als weergegeven in Fig. 5a met de aan-uit huidige verhouding van 7,7. De tegenovergestelde gelijkrichtende IV-curve kan ook worden geproduceerd wanneer de spanning op de afvoerelektrode werd aangelegd door achtereenvolgens van − 0,5 tot + 0,5 V, − 1 tot + 1 V en − 2 tot + 2 V te vegen, zoals geïllustreerd in de inzet van Fig. 5c. Het vertoont ook meer voor de hand liggend rectificatiegedrag in het grotere bereik van de zwaaispanning dat wordt weergegeven in figuur 5c. In figuur 5d werd de I-V rode curve verder gemeten toen de spanning op de afvoerelektrode werd aangelegd door voor de tweede keer van -0,5 naar +-0,5 V te vegen. De overgang van niet-rectificerend naar corrigerend gedrag kan worden waargenomen door vergelijking met de I-V zwarte curve, die eerder werd gemeten in hetzelfde spanningsbereik als getoond in Fig. 5c. De bovenstaande IV-karakteristieken suggereren dat het corrigerende gedrag in de Si NW-gebaseerde apparaten werd geproduceerd tijdens de elektrische meting in plaats van DEP-uitlijning. Verder werd ook gevonden dat de richting van gelijkrichting kan worden bepaald door de richting van de spanningszwaai. Na de overgang van niet-gelijkrichtend naar gelijkrichtend, had het apparaat dezelfde gelijkrichtrichting, ongeacht de richting van de spanningszwaai.

SEM-beeld van parallel uitgelijnde Si NW's over Pt-elektroden. Er is een +-0,5 V DC-spanning aangelegd op de afvoer in de DC-DEP-uitlijning

De spanningszwaaisnelheid voor de afvoerelektrode door van negatieve naar positieve bias (zwarte lijn) en van positieve naar negatieve bias (rode lijn) te vegen

Elektrische eigenschappen van de parallelle Si NW's over Pt-elektroden. een IV-curven van de parallelle Si NW's wanneer een spanning op de afvoerelektrode werd aangelegd door van positieve naar negatieve voorspanning te vegen, zoals weergegeven in de inzet. Er zijn 24 parallelle NW's over Pt-elektroden. b De I-V-curves gemeten op de eerste zwaai (zwarte lijn) en tweede zwaai (rode lijn) van + 1 tot − 1 V. c IV-curven van de parallelle Si NW's wanneer een spanning op de afvoerelektrode werd aangelegd door van negatieve naar positieve voorspanning te vegen, zoals weergegeven in de inzet. Er zijn 18 parallelle NW's over Pt-elektroden. d De I-V-curves gemeten op de eerste zwaai (zwarte lijn) en tweede zwaai (rode lijn) van − 0,5 tot + 0,5 V

Bovendien is de zigzag-achtige IV-curve duidelijk te zien wanneer de spanning op de afvoerelektrode werd aangelegd door van +-3 naar -3 V en -2 naar +-2 V te vegen, zoals weergegeven in respectievelijk Fig. 5a, c. Dit fenomeen kan worden verklaard door de asymmetrische Joule-verwarmingseffecten, die afkomstig zijn van de elektrische stromen die door Si NW's stromen als de spanning die over Pt-elektroden wordt aangelegd, wordt verhoogd. De asymmetrische Joule-verwarmingseffecten treden op door de ongelijke temperatuurverdeling tussen de elektroden, en de temperatuur op het anodegebied is hoger dan het kathodegebied [26]. Voor IV-curvemeting is de stroom bij 3 V aangelegde spanning ongeveer enkele tot honderden nanoampères, zoals weergegeven in figuur 5 en aanvullend bestand 1:figuur S1, die veel kleiner is dan die in ref. [26]. De diameter van Si NW's is echter ongeveer 100 nm, wat veel kleiner is dan de breedte van het kanaal van het apparaat in ref. [26]. Bovendien, omdat de nanodraden net op de elektroden zijn geadsorbeerd door de DEP-uitlijningsmethode, kan het contactoppervlak veel kleiner zijn dan de dwarsdoorsnede van nanodraden. De stroomdichtheid bij de NW-elektrodecontacten kan dus hoog genoeg zijn om Joule-verwarming te veroorzaken. Dit is ook te zien nadat + -3 en -3 V DC op de afvoerelektrode waren aangebracht voor Si NW's DEP-uitlijning, zoals weergegeven in respectievelijk Fig. 6a, b. Beide figuren geven aan dat de anodegebieden ernstig werden vernietigd door smelten in vergelijking met de kathodegebieden.

een SEM-beeld van op Si NW gebaseerd apparaat nadat een +-3 V DC-spanning was toegepast op de afvoerelektrode voor Si NW-uitlijning. b SEM-beeld van op Si NW gebaseerd apparaat nadat een − 3 V DC-spanning op de afvoerelektrode was aangelegd voor Si NW-uitlijning. De witte streepjeslijnen tonen de elektroderand vóór het DEP-uitlijnproces

Wanneer de IV-curven van het apparaat werden gemeten in een reducerende atmosfeer (H₂ /Ar), werd de gelijkrichtende eigenschap niet verkregen door in het grote spanningsbereik (van -3 tot 3 V) te vegen, zoals weergegeven in aanvullend bestand 2:Afbeelding S2(a). De IV-curve is symmetrisch en bijna lineair, wat slechts een kleine barrière aangeeft op het grensvlak tussen de nanodraad en twee elektroden. De Pt en n-Si kunnen echter theoretisch een Schottky-barrière vormen bij het Pt/n-type Si-contact, aangezien de werkfunctie van Pt (~ -6,1 eV) groter is dan n-type Si (~ -4,15 eV). In deze studie adsorberen de nanodraden gewoon op de elektroden door de DEP-uitlijnmethode. De verandering van de barrièrehoogte kan dus te wijten zijn aan de gasadsorptie op het Si-oppervlak. Na het vegen in het grote spanningsbereik, nam de helling van de IV-curve toe, zoals weergegeven in aanvullend bestand 2:figuur S2(b), wat aangeeft dat een vegende meting van het grote spanningsbereik in reducerend gas de weerstand op beide NW-elektrodecontacten kan verminderen. Echter, lucht met O₂ en H₂ O is een oxidatieve atmosfeer. In lucht is de oxidatiesnelheid van Si hoger bij hoge temperatuur dan bij lage temperatuur. We kunnen dus afleiden dat voor de meting van het grote spanningsbereik in lucht, de toename van de barrièrehoogte bij het anodegebied te wijten is aan de vorming van een dun geoxideerd SiO _x laag op het grensvlak, die plaatsen voor elektronenvangst vertoont.

Afbeelding 7 toont de schematische energiebanddiagrammen voor op Si NW gebaseerde apparaten voor en na de asymmetrische Joule-verwarmingsbehandelingen. Aanvankelijk vormen de Pt en n-Si kleine gelijke barrièrehoogten aan beide uiteinden van de NW's na de DEP-uitlijning. Wanneer de spanning op de afvoerelektrode werd aangelegd door van positief naar negatief (in methode 1) of negatief naar positieve bias (in methode 2) te vegen, zou de barrièrehoogte aan de kant van de hoge-temperatuuranode gelijktijdig worden afgestemd vanwege de asymmetrische Joule verwarmingseffecten. Met andere woorden, de barrièrehoogte zou worden vergroot en het corrigerende gedrag van het apparaat domineren, zoals we afleiden uit de corrigerende IV-kenmerken die worden getoond in figuur 5.

Schematische energiebanddiagrammen voor n-type Si/Pt-contacten na DC-DEP-uitlijning (midden boven). Het apparaat ging door het asymmetrische Joule-verwarmingsproces terwijl de spanning op de afvoerelektrode werd toegepast door van positieve naar negatieve bias te vegen in methode 1 (links) of negatieve naar positieve bias in methode 2 (rechts)

Om de fotogevoelige eigenschappen van het rectificerende Si NW-gebaseerde apparaat in dit geval te onderzoeken, is een breedband wit licht met een intensiteit van 825 mW/cm ² werd verticaal op het apparaat weergegeven terwijl de bijbehorende fotoresponskenmerken werden vastgelegd, zoals weergegeven in Fig. 8a. Afbeelding 8b toont de IV-curven van dit apparaat onder donkere (zwarte curve) en breedbandige bestraling met wit licht (rode curve). Het laat zien dat de fotostroom kan worden geïnduceerd, en de hogere gevoeligheid werd bereikt toen het apparaat omgekeerde IV-kenmerken vertoonde die worden weergegeven in de inzet van figuur 8b. Het tijdsafhankelijke fotoresponsgedrag werd onderzocht wanneer het apparaat werd blootgesteld aan het witte licht door aan en uit te schakelen. Zoals getoond in Fig. 8c, waar het apparaat onder een witte lichtexcitatie stond van +-0,75 V in voorwaartse vooringenomen modus, nam de stroom toe van 20 naar 35 nA binnen 15 s, wat met slechts 75% is verbeterd. Toen het witte lampje uit was, nam de stroom binnen 30 s af tot de beginwaarde. Aan de andere kant, toen het apparaat onder een witlicht-excitatie stond van -0,75 V in omgekeerde vooringenomen modus, zoals weergegeven in figuur 8d, nam de stroom abrupt toe van 40 naar 430 pA binnen 64 ms, wat tot 13 keer is groter dan het apparaat in voorwaartse vooringenomen modus. Bovendien kan de hogere herstelsnelheid worden waargenomen omdat de stroom binnen slechts 48 ms daalde tot de beginwaarde van de verzadigingstoestand op het moment dat het witte lampje uit was.

een Schema van een op Si NW gebaseerde sensor onder wit licht met een intensiteit van 825 mW/cm ² . b IV-curven van een op Si NW gebaseerde sensor onder de donkere en witte lichtverlichting. De inzet toont de overeenkomstige I-V-eigenschappen in een semi-logaritmische schaal. c Tijdsopgeloste fotorespons van een op Si NW gebaseerde sensor bij +-0,75 V in voorwaarts gerichte modus onder witlichtverlichting door in- en uitschakelen. d Tijdsopgeloste fotorespons van een op Si NW gebaseerde sensor bij − 0,75 V in omgekeerde vooringenomen modus onder witlichtverlichting door in- en uitschakelen. Het voorbereide apparaat was hetzelfde als dat voor het meten van elektrische transporteigenschappen in Fig. 5a, b

In termen van de fotoresponsprestaties kan de discrepantie van deze bovenstaande resultaten als volgt worden verklaard. Wanneer het apparaat in de voorwaartse modus staat, neemt de breedte van het uitputtingsgebied af en verbetert de stroom die leidt tot een lagere gevoeligheid voor wit licht. Het apparaat in omgekeerde vooringenomen modus heeft daarentegen het grotere uitputtingsgebied waar het sterke ingebouwde elektrische veld bestaat. De door foto gegenereerde elektronen en gaten kunnen efficiënt worden gescheiden en de recombinatiesnelheden van elektronen en gaten onder de witte lichtverlichting verminderen, wat resulteert in een abrupte toename van de dichtheid van de vrije drager. Daarom hebben rectificerende apparaten een eigenschap met een hoog responspercentage. In eerdere studies [27, 28] werden echter gelijkrichtapparaten met één Ohmse contactelektrode en de andere Schottky-contactelektrode vervaardigd door verschillende elektrodematerialen te selecteren. In dit onderzoek is gebruik gemaakt van een eenvoudig productieproces. Het corrigerende gedrag van de NW-apparaten gevormd door diëlektroforese-uitlijning werd verkregen door alleen asymmetrische joule-verwarming in het elektrische meetproces.