Gemakkelijke fabricage van zelf-geassembleerde ZnO-nanodraadnetwerkkanalen en de poortgestuurde UV-detectie

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont het schematische diagram dat de voorbereiding van percolerende ZnO NW-netwerkkanalen en daaropvolgende warmtebehandeling beschrijft. Eerst werd een substraat met OTS-patroon ondergedompeld in ZnO NW-suspensie (1 gew.% in dichloorbenzeen) en uit ZnO NW-suspensie getrokken met behulp van een zelfgemaakt treksysteem met verschillende treksnelheden van 0,5 mm min ⁻¹ tot 10 mm min ⁻¹ (Extra bestand 1:Afbeelding S1). Tijdens het trekproces werd een vloeibare meniscus met ZnO NW's tegen het substraat met OTS-patroon gesleept. De ZnO NW's zijn exclusief geassembleerd op de blootgestelde SiO₂ kanaal regio's. Zoals weergegeven in de inzet van Fig. 2a, werden in totaal 100 apparaten gefabriceerd op 4-in.-wafels met behulp van onze fabricagemethode. Afbeelding 2a toont het optische beeld van een doordringend ZnO NW-netwerkkanaal en de inzet toont de FET-apparaatarray. De gemiddelde diameter van een ZnO NW was 200 nm, de NW-lengte was 2 ~ 3 m, de kanaallengte en -breedte waren respectievelijk 6 m en 20 m. Na assemblage van ZnO NW werden de source-drain-elektroden gemaakt met een conventionele fotolithografietechniek, thermische afzetting van metaal (10 nm Ti, 300 nm Al) en een lift-off-proces.

Schematisch diagram van de fabricageprocedure van ZnO NW-netwerk-FET. Assemblage van ZnO NW's op moleculair gevormde substraten met behulp van een trekproces

Kanaalvorming en dikteregeling van ZnO NW-netwerk-FET-apparaten. een Vergroot optisch beeld van een NW-netwerkkanaal met een lengte van 6 m en Al-elektroden. De inzet is een optische microfoto van 10 × 10 array-apparaten met kanalen met micropatroon. b Scanning-elektronenmicroscoop (SEM) -afbeeldingen die de selectieve assemblage van ZnO NW's tonen tot lijnpatronen met verschillende lijnbreedtes van 5, 10 en 20 m. c AFM-beeld van netwerk ZnO NW. d Gemiddelde verdeling van hoogte versus treksnelheid bij verschillende treksnelheden van 0,5~ 10 mm min ⁻¹ . De inzet toont het AFM-hoogteprofiel voor verschillende treksnelheden van 0,5, 2, 10 mm min ⁻¹

Zoals weergegeven in figuur 2b, waren we in staat om ZnO NW-patronen te verkrijgen met verschillende lijnbreedtes van 5, 10 en 20 μm door de SiO₂ grootte van het regiopatroon. De omliggende OTS-regio's zijn niet-polair vanwege de methylterminals van de OTS-moleculen. Men denkt dat de NW's alleen worden geadsorbeerd op de polaire SiO₂ regio's door van der Waals-interactie [40]. De selectieve assemblage van ZnO NW's werd ook bevestigd met energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS) (zie aanvullend bestand 1:figuur S2). Hier waren de Zn-signalen beperkt tot die regio's met ZnO NW's.

De fysieke eigenschappen van percolerende ZnO NW-netwerkkanalen, zoals dikte en dichtheid, werden gecontroleerd door de treksnelheid van het substraat uit de NW-oplossing te moduleren tijdens NW-assemblage. Afbeelding 2c toont de AFM-beelden (atomic force microscopie) van ZnO NW-netwerken die zijn geassembleerd met verschillende treksnelheden van 0,5, 2 en 10 mm min ⁻¹ . Het gemiddelde hoogteprofiel versus treksnelheid wordt getoond in Fig. 2d. De NW-dichtheid was 1,21 NW μm ⁻² bij treksnelheid 0,5 mm min ⁻¹ , en 0,09 NW μm ⁻² op 10 mm min ⁻¹ . De NW-kanaaldikte nam toe door de treksnelheid te verminderen. De hoogte van het NW-kanaal was gewoonlijk ongeveer 1,5 tot 2 keer hoger dan de gemiddelde NW-diameter van 200 nm bij de laagste snelheid 0,5 mm min ⁻¹ (Fig. 2d, inzet). Bij een treksnelheid van 10 mm min ⁻¹ , bereikte de netwerkverbinding de percolatielimiet, waarboven het netwerk geen verbinding vertoonde. De huidige methoden voor het vervaardigen van ZnO NW-netwerkapparaten omvatten over het algemeen elektrodeafzetting met ZnO NW-gecoate film, gevolgd door een soort van etsproces om de kanalen te definiëren [38, 39]. Deze methode is moeilijk om de fysieke afmetingen te controleren, zoals aanpassing van de ZnO-kanaalbreedte. Om deze problemen op te lossen, is een methode bestudeerd die hydrothermische groei van ZnO NW's op vooraf van een patroon voorziene lagen gebruikt [44, 45], maar het vereist ook een aanvullend etsproces en/of hydrothermische groeiprocessen die tijd en kosten vergen. Daarentegen kan onze methode eenvoudig de breedte en lengte van een kanaal regelen door het kanaal vooraf te patroon met OTS-moleculen en vervolgens de NW's samen te stellen via een treksysteem.

De elektrische eigenschappen kunnen ook worden gecontroleerd door de treksnelheid te moduleren. Afbeelding 3 toont de elektrische eigenschappen vóór de warmtebehandeling. Afbeelding 3a toont de verandering van IV-kenmerken bij verschillende treksnelheden. Toen de treksnelheid werd verlaagd van 2 naar 0,5 mm min ⁻¹ , nam de initiële stroom toe van 5 naar 50 nA bij 1 V. Dit komt vermoedelijk door de verhoogde netwerkconnectiviteit met verhoogde NW-dichtheid in het kanaal. De typische poortafhankelijke IV-karakteristieken van een ZnO NW FET vervaardigd op 2 mm min ⁻¹ treksnelheid zijn weergegeven in Fig. 3b, c. Afbeelding 3b geeft de I–V-karakteristieken weer bij verschillende gate-spanningen V _g waarden (van − 60 V tot 60 V in stappen van 20 V). De ik _ds -V _g poortkarakteristieken in figuur 3c tonen typische n-type karakteristieken met een verhoogde aan-uit-verhouding met vijf orden van grootte van de uit-stroom van 3 pA tot 556 nA en verminderde uitstroom wanneer de treksnelheid werd verhoogd van 0,5 tot 2 mm min ⁻¹ (zie Aanvullend bestand 1:Afbeelding S3). Deze toename van de aan-uit-verhouding met verminderde filmdichtheid kan worden verklaard door op te merken dat het kanaal meer wordt beïnvloed door het elektrische veld van de achterpoort naarmate we het NW-kanaal dunner maken [46]. De treksnelheid heeft ook invloed op de opbrengst van het apparaat en de frequentieverdeling van de weerstand met twee sondes (aanvullend bestand 1:Afbeelding S4). De weerstand toont de gemiddelde waarde van 28,2 ± 4 MΩ en ~ 92% opbrengst bij 0,5 mm min ⁻¹ . De distributie verschuift echter naar 877 ± 280 MΩ en ~ 78% opbrengst bij 2 mm min ⁻¹ snelheid trekken. Hier wordt de opbrengst gedefinieerd als het aantal apparaten met meetbare weerstandswaarden boven apparatuurruis.

Connectiviteit en elektrische eigenschappen van ZnO NW-netwerk door regeling van treksnelheid. een ZnO NWs netwerk FET elektrische eigenschappen van treksnelheid 0,5 en 2 mm min ⁻¹ . Typische stroom-spanningskarakteristieken van apparaten die zijn vervaardigd met verschillende treksnelheden van 0,5 en 2 mm min ⁻¹ . De netwerkkanalen vertoonden Schottky-contact van − 1 tot 1 V. De inzet is SEM-afbeeldingen van netwerkkanaal op 0,5 (linksboven) en 2 (rechtsonder) mm min ⁻¹ . De schaalbalken zijn voor beide gevallen 10 m. b Stroom-spanningskarakteristieken van verschillende achterpoortspanningen. V _g varieerde van − 60 V tot 60 V in stappen van 20 V. c Ik _ds vs V _g relaties van ZnO NWs netwerkkanaal gefabriceerd op verschillende V _ds . V _ds varieerde van 0 tot 7 V in stappen van 1 V

Hier heeft de poortkarakteristiek van de FET geen schoon verzadigingsregime. Volgens eerdere rapporten vertoonde het ZnO NW-netwerk geen schoon verzadigingsregime, mogelijk vanwege de verhoogde dragerverstrooiing door een complex NW-netwerkpad, een groot oppervlak en korrelgrenzen bij NW-knooppunten [47]. Ons ZnO NW-netwerk vormt een aantal paden tussen een source en drain. Ook ZnO NW-netwerkkanaal met een dikte tot ongeveer 0,4 m (figuur 2d). De niet-uniforme dikte van nanodraad veroorzaakt verschillende afstanden tot de poort voor elke nanodraad en de mate van modulatie is iets anders. Daarom heeft de FET-karakteristiek geen schoon verzadigingsregime zoals een enkele nanodraad-FET.

De elektrische eigenschappen van zoals geproduceerde apparaten kunnen worden verbeterd door een daaropvolgend warmtebehandelingsproces om de uniformiteit in elektrische eigenschappen te verbeteren en de contactweerstand tussen de NW's verder te verlagen [41]. De warmtebehandeling werd uitgevoerd onder lage druk bij 300 ° C gedurende 10 minuten terwijl Ar-gas stroomde met 100 sccm (zie aanvullend bestand 1:figuur S5). Afbeelding 4 toont de verandering van elektrische eigenschappen van de monsters vervaardigd bij 2 mm min ⁻¹ snelheid trekken. Na de warmtebehandeling nam de stroom bij een voorspanning van 1 V toe van 600 nA tot 6,5 μA (Fig. 4a). De weerstandsfrequentieverdeling in figuur 4b toont een daling van de gemiddelde weerstand van 877 ± 280 MΩ tot 207 ± 37 kΩ, ongeveer 3 orde van grootte. Ook nam de opbrengst van het apparaat toe van 78 naar 90%, vermoedelijk vanwege het verbeterde elektrische contact tussen NW's. We hebben ons gericht op het benutten van de voordelen van NW-verbindingsverbetering door middel van warmtebehandeling. Om deze reden werd de temperatuur niet verhoogd tot meer dan 400 ° C waar ZnO herkristalliseert. Van dergelijke herkristallisatie is gemeld dat het de zuurstofdesorptie en adsorptie-eigenschappen aan het ZnO-oppervlak tijdens UV-belichting [41] beïnvloedt. Daarom, om alleen de verbetering van de verbinding tussen de NW's door de warmtebehandeling te verkrijgen, werd een warmtebehandeling uitgevoerd tot 300 ° C om de interface tussen de NW's te verbeteren. Dit resulteerde in het verbeteren van de elektrische stabiliteit en eigenschappen. We zijn van mening dat ons warmtebehandelingsproces de adsorberende moleculen zoals vocht of hexamethyleentetramine (HMTA) zou kunnen verwijderen, aangezien onze procestemperatuur hoger is dan het smeltpunt van HMTA (290 °C). Dit resulteerde in een verbetering van de NW-FET-prestaties omdat het de verbinding tussen de NW's verbetert en andere adsorberende moleculen verwijdert die de prestaties van de NW's aantasten, zoals vocht.

ZnO NW's netwerk elektrische eigenschappen na warmtebehandeling. een Typische stroom-spanningskarakteristieken voor en na gloeien van treksnelheid 2 mm min ⁻¹ . De netwerkkanalen vertoonden Schottky-contactgedrag. (inzet) IV-kenmerken vóór uitgloeien, vergroot. b Weerstandsfrequentieverdeling van ZnO NWs-netwerk getrokken met een snelheid van 2 mm min ⁻¹ . De gemiddelde weerstand nam af voor ongeveer drie orders. (c ) IV-karakteristieken bij verschillende achterpoortspanningen. V _g varieerde van − 60 V tot 60 V in stappen van 20 V. d Elektrische eigenschappen van I _ds vs V _g na warmtebehandeling. e Vergelijking van ik /Ik _uit verhouding bij verschillende V _g waarden, voor en na warmtebehandeling (V _g stap = 5 V). v Verbeterde transconductantie door warmtebehandeling

De typische ik _ds -V _ds en ik _ds -V _g karakteristieke curven van een ZnO NW FET worden getoond in Fig. 4c, d. Afbeelding 4e laat zien dat I _ds -V _g karakteristieke curven zijn vergelijkbaar voor en na warmtebehandeling, en de maximale I _aan /I _uit verhouding is ~ 2 × 10 ⁵ . Dit geeft aan dat de warmtebehandeling alleen de verbinding tussen de NW's verbetert om de weerstand te verlagen en geen verandering in intrinsieke elektrische eigenschappen veroorzaakt. Afbeelding 4f toont de verbetering van de transconductantie dI _ds /dV _g na warmtebehandeling, wat kan worden toegeschreven aan de verbeterde elektronenmobiliteit in het ZnO NW-apparaat. De maximale transconductantie (g _m = dI _ds /dV _g ) is geëxtraheerd uit de maximale helling van de I _ds -V _g kenmerken en de maximale aan-uit-verhouding bij 7 V van V_ds . (Extra bestand 1:Afbeelding S6). De berekende maximale transconductantie was ~ 47 nS bij V _g = − 30 V. We gebruikten de formule μ = g _m ·L /(W ·C _d ·V _ds ) voor de berekening van de geschatte mobiliteit [48]. De mobiliteit werd berekend op 0,175 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Dit is vergelijkbaar met eerder gerapporteerde waarden van 0,018 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ met behulp van ZnO NWs-apparaatarray [49].

Ten slotte hebben we de UV-fotorespons van de ZnO-netwerk-FET's en de afhankelijkheid ervan van de poortspanning waargenomen. Figuur 5a toont de I–V-karakteristieken met UV-verlichting bij een andere poortspanning (van -60 V tot 60 V, in stappen van 20 V). De ik _ds -V _g kenmerken onder UV-belichting in Fig. 5b toont een verminderde aan-uit-verhouding. Het UV-licht had als effect dat de uitstroom van het n-type FET-apparaat toenam door een foto-geëxciteerde drager te creëren. Afbeelding 5c ​​toont het verschil in gemeten stroomsterkte voor de aan- en uit-toestand van het UV-licht. De UV-fotoresponsiviteit (I _licht /I _donker :verhouding van fotostroom tot donkerstroom) varieert afhankelijk van de toegepaste poortspanning en toont de maximale verhoudingswaarde van 8,6 × 10 ⁵ bij V_g − 55 V of minder. De inzet van Afb. 5c toont I _ds -V _g kenmerken met en zonder UV-verlichting bij V_ds = 7 V (V _ds -ik _ds kenmerken worden weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S7). Afbeelding 5d toont een lineaire relatie tussen de I _licht /I _donker en de aan-uit stroomverhouding (I _aan /I _uit ). De ik _aan /I _uit verhoging leidt tot een verbetering van de UV-fotoresponsiviteit. Om de verbetering te tonen met een verhoging van de huidige waarde V _ds , plotten we de gegevens van Fig. 5d als een aan-uit-waarde volgens de stroom (inzet). Dan, de V _g = − 60 V en V _ds = 7 V conditie was de optimale conditie waarbij de I _licht /I _donker verhouding was maximaal bij het vergelijken van voor en na UV-belichting.

UV-detectiekenmerken van ZnO NW FET's. een IV-karakteristieken onder UV-belichting bij verschillende back-gate-spanningen. V _g varieerde van − 60 V tot 60 V in stappen van 20 V. b Elektrische eigenschappen van I_ds vs V_g onder UV-verlichting. c Ik _ligt /Ik _donker als een verandering van poortspanning. Maximaal I _ligt /Ik _donker werd verkregen rond V g ~ − 55 V. Inzet, I _ds -V _g kenmerken onder UV-verlichting en onder duisternis. d Lineaire relatie tussen foto/donkerstroomverhouding (I _ligt /Ik _donker ) en initiële aan-uit stroomverhouding (I _aan /Ik _uit ) van de ZnO NW FET. De inzet toont de eerste I _aan /Ik _uit verhouding voor verschillende V _ds . De maximale ik _aan /Ik _uit verhouding was V _ds = 7 V. e Fotorespons van ZnO NW-netwerk FET-fotodetector met en zonder UV-verlichting in de lucht. De inzet toont exponentiële vervalkenmerken nadat het UV-licht is uitgeschakeld. v Tijdsopgeloste fotorespons van de ZnO NW-netwerkkanaalapparaten opgenomen door het UV-licht in en uit te schakelen

Ik _ds -V _g kenmerken onder UV-licht toonden aan dat de transistor veranderde van een halfgeleidende toestand (figuur 4c) naar een geleidende (accumulatie) toestand (figuur 5b). Deze verandering zal naar verwachting de foto-aangeslagen dragerconcentratie verhogen tot een gedegenereerd niveau onder UV-licht [50]. De ik _licht /Ik _donker verhoudingen van onze apparaten waren ongeveer 2 × 10 ⁴ , 10 en 6, bij poortspanningen van respectievelijk -60 V, 0 V en 60 V (Fig. 5e). Dit toont aan dat de UV-fotoresponsiviteit kan worden aangepast door de poortspanning. Als V _g nam af, de fotoresponsiviteit nam toe.

We vergeleken de fotoresponsiviteitsprestaties van ZnO NW-netwerkgebaseerde fotodetectoren uit andere onderzoeken. CVD-gekweekte ZnO-nanodraadarrays vertoonden bijvoorbeeld UV-fotoresponsiviteit (I _licht /Ik _donker ) van ~ 10 ⁴ [33, 51]. In ons geval zouden we een vergelijkbare responsiviteit van de fotodetector kunnen bereiken van 2 × 10 ⁴ zonder gebruik te maken van hoge temperatuur- en/of hoogvacuümprocessen. Andere onderzoeken met methoden zoals inkjetprinten [47] of verticaal uitgelijnde nanodraden [52] toonden fotoresponsiviteitsniveaus van 10 ³ tot 10 ⁴ , die vergelijkbaar of iets lager zijn dan onze studie (zie Aanvullend bestand 1:Afbeelding S8). Bovendien toont ons onderzoek poortbestuurbare kenmerken aan, wat voordelig is bij het afstemmen van de gevoeligheid van het apparaat op de lichtomstandigheden.

De UV-respons van ZnO NW's kan worden verklaard door modulatie van het uitputtingsgebied als gevolg van zuurstofdesorptie en adsorptie [53]. UV-licht veroorzaakt desorptie van de aan het ZnO NW-oppervlak geadsorbeerde zuurstofionen. De zuurstofdesorptie verhoogt de effectieve kanaaldikte, wat resulteert in een verhoogde stroom door de NW's. Bovendien verlaagt reductie van het desorptiegebied als gevolg van zuurstofdesorptie door UV-licht de junctiebarrièrehoogte tussen de NW's, waardoor de stroomstroom efficiënter wordt [54, 55]. Omdat onze apparaten halfgeleidend gedrag van het n-type vertoonden, werd de donkerstroom geminimaliseerd met een grote negatieve V _g . Daarom werd de fotoresponsiviteit bij de grote negatieve poortspanning gemaximaliseerd (zie Aanvullend bestand 1:Afbeelding S9).

Bovendien beïnvloedt de poortspanning de hersteltijd naar de begintoestand wanneer het UV-licht wordt uitgeschakeld. De herfst (verval) tijd wanneer V _g =60 V en  + 60 V zijn respectievelijk 52 s en 141 s, waarbij het verschil drie keer zo groot is (inzet, Fig. 5e). Het tijdstip waarop de stroom stijgt (stijgtijd) of daalt (daaltijd) van 10% naar 90% wordt gedefinieerd als de hersteltijd. Het elektrische veld als gevolg van de gate-bias beïnvloedt de recombinatiemogelijkheid van elektronen en gaten in het absorptieproces van zuurstofmoleculen die werden gedesorbeerd door UV-licht [56, 57]. Dit is betrokken bij de tijd om terug te keren naar de oorspronkelijke staat van het apparaat. Daarom kan de hersteltijd worden vertraagd of kort, afhankelijk van het elektrische veld. Afbeelding 5f toont de repetitieve fotorespons door V . toe te passen _g = − 60 V. Dit toont de tijdsopgeloste fotorespons van de ZnO NW-netwerkkanaalapparaten die zijn opgenomen door het UV-licht in en uit te schakelen. We hebben bevestigd dat er geen verslechtering van de fotogevoeligheid optreedt bij herhaalde UV-reacties.