Foto-elektrische eigenschappen onderzocht op individuele Si-nanodraden en hun grootteafhankelijkheid

Resultaten en discussie

Metingen van fotogeleidende eigenschappen op enkele Si NW's

Door te combineren met laserbestraling, worden de fotogeleidende eigenschappen van Si NW's onderzocht door PCAFM als een functie van de laserintensiteit. Typische stroombeelden verkregen op de Si NW's met een diameter van 190 nm en een lengte van 800 nm onder verschillende laserstraling bij een monsterbias van -1,5 V worden getoond in Fig. 2b-f, samen met het topografische beeld getoond in Fig. 2a . Omdat de punt een wig was met een grote hoek waardoor deze de bodem niet kon bereiken, vooral de beelden werden verkregen in contactmodus, zijn de waargenomen nanodraden enigszins vervormd en kan alleen de stroom aan de bovenkant van nanodraden worden gemeten. Hoe dan ook, de huidige verdeling van individuele nanodraden kan duidelijk worden waargenomen op de huidige afbeeldingen. In het huidige beeld zonder laserbestraling (figuur 2b), vertonen Si NW's een iets betere geleiding aan de meeste randen dan het midden, wat werd toegeschreven aan het grotere zijcontactgebied tussen tip en nanodraad [40]. Onder laserbestraling neemt de stroom van Si NW's duidelijk toe met de laserintensiteit (Fig. 2c, d), terwijl het geleidende gebied van nanodraden dienovereenkomstig toeneemt. Om een ​​duidelijk verband te krijgen tussen fotostroom en laserintensiteit, worden de gemiddelde stromen van Si NW's berekend over alle nanodraden in de huidige kaarten, die in Fig. 2g worden weergegeven als een functie van de laserintensiteit. De resultaten laten zien dat de gemiddelde stroomsterkte ongeveer twee keer zo hoog is (van 85 tot 146 pA) als de laserintensiteit toeneemt van 0 tot 8 W/cm ² , wat aangeeft dat er meer dragers worden gegenereerd onder laserbestraling.

De topografie (a ) en huidige beelden van Si NW's met een lengte van 800 nm en een diameter van 190 nm onder verschillende laserintensiteiten van b 0, c 2, d 4, e 6 en f 8 W/cm ² . g geeft de gemiddelde stroom weer (I _av ) over de nanodraden als functie van de laserintensiteit. u toont de fotorespons als functie van de laserintensiteit

In eerdere onderzoeken [32, 48] werd fotorespons meestal toegepast om het responsvermogen van fotodetectoren te beschrijven, wat werd gedefinieerd als:

waar ik _L en ik _D zijn respectievelijk de stroom met en zonder laserbestraling. P _incl is het product van de vermogensdichtheid van de invallende laser gedeeld door het effectieve oppervlak van het contactgebied tussen de punt en het monster, q is de elementaire lading en hν is de fotonenergie. In ons geval is het effectcontactgebied ongeveer 2 × 10 ^–11 cm ² door de tipstraal van 25 nm te gebruiken, en als resultaat kan de fotorespons van Si NW's worden berekend op ongeveer 2,3 bij een laserintensiteit van 2 W/cm ² , wat aangeeft dat Si NW's uitstekende mogelijkheden voor fotoverbetering hebben. Figuur 2h geeft de fotorespons weer als een functie van de laserintensiteit, en het is te zien dat de fotorespons afneemt met de toenemende laserintensiteit, maar alle waarden zijn nog steeds groter dan 1. De bovenstaande resultaten tonen dus aan dat de laserbestraling de geleiding van Si NW's, wat de veelbelovende toepassingsmogelijkheden in fotodetectoren suggereert.

Om de grootte-afhankelijkheid van de fotogeleidende eigenschappen te onderzoeken, werden fotostroommetingen uitgevoerd op de Si NW's met verschillende diameters en lengtes. Typische huidige beelden van Si NW's met dezelfde lengte van 350 nm maar verschillende diameters van 190 tot 350 nm worden getoond in aanvullend bestand 1:Fig. S1 onder 0, 4 en 8 W/cm ² laserbestraling bij dezelfde monstervoorspanning van -1,5 V. De gemiddelde stromen van Si NW's berekend over alle nanodraden in de huidige afbeeldingen worden weergegeven in Fig. 3a als een functie van de laserintensiteit. Het is te zien dat de geleidbaarheid van Si NW's met alle diameters duidelijk toeneemt met de verhoogde laserintensiteit. Bij dezelfde laserintensiteit nemen de absolute stroomwaarden aanzienlijk toe naarmate de diameter afneemt van 350 naar 190 nm. Deze resultaten suggereren dat Si NW's met kleinere diameters meer geleidend zijn dan die met grotere. De gemiddelde fotorespons over laserintensiteiten wordt weergegeven in figuur 3b voor verschillende diameters. Het is te zien dat de fotorespons afneemt met de grotere diameter, wat betekent dat Si NW's met kleinere diameters een betere fotoresponscapaciteit hebben. Aan de andere kant, de fotostroom (I _L − Ik _D ) bij een laserintensiteit van 8 W/cm ² voor verschillende diameters wordt getoond in Fig. 3c. Het laat duidelijk zien dat de fotostroom afneemt naarmate de diameter groter wordt, wat aangeeft dat Si NW's met kleinere diameters een betere fotogeleiding hebben.

een De gemiddelde stroom (I _av ) van Si NW's met verschillende diameters als een functie van laserintensiteit. b De gemiddelde fotorespons over de laserintensiteiten als functie van diameters. c De afhankelijkheid van fotostroom van diameter bij de laserintensiteit van 8 W/cm ² . d De ik _av van Si NW's met verschillende lengtes als functie van de laserintensiteit. e De gemiddelde fotorespons over de laserintensiteiten als functie van de lengte. v De afhankelijkheid van fotostroom van lengte bij een laserintensiteit van 8 W/cm ²

Soortgelijke metingen worden uitgevoerd op Si NW's met dezelfde diameter maar met verschillende lengtes. De resultaten van nanodraden met een diameter van 190 nm en lengtes van 350 tot 960 nm worden weergegeven in Aanvullend bestand 1:Fig. S2. De gemiddelde stromen van nanodraden met verschillende lengtes worden weergegeven in figuur 3d. Met de verhoogde laserintensiteit vertonen alle nanodraden een duidelijke toename in geleiding, en de kortere Si NW's hebben de grotere geleiding over het laserintensiteitsbereik tot 8 W/cm ² . De fotorespons en fotostroom als functie van de lengte van nanodraden bij een laserintensiteit van 8 W/cm ² worden respectievelijk weergegeven in Fig. 3e, f. Het is te zien dat met de toename van de lengte van 350 naar 960 nm, de fotorespons geen duidelijke lengteafhankelijkheid vertoont, terwijl de fotostroom grotendeels afneemt met de toename van de lengte.

I–V-curvenanalyse en grootteafhankelijke Schottky-barrièrehoogte

Zoals gerapporteerd in ons vorige werk [40], moet bij CAFM-metingen op Si NW's nadrukkelijk rekening worden gehouden met de contactweerstand van de tip-nanodraad, waarbij de Schottky-barrière een belangrijke rol speelt. Om de rol van de Schottky-barrière in fotogeleiding en het effect van laserbestraling op de hoogte van de barrière te onderzoeken, worden stroom-spanningscurven (I-V) opgenomen op individuele Si NW's. Typische IV-curven op de Si NW's met een diameter van 190 nm en een lengte van 800 nm onder verschillende laserstraling worden weergegeven in figuur 4a. Alle IV-curven vertonen typische I-V-karakteristieken van metaal en n-type halfgeleidercontact, wat aangeeft dat het effect van de zuurstoflaag op de geleiding niet ernstig is en daarom wordt genegeerd in de volgende discussie. Er kan worden waargenomen dat, naarmate de laserintensiteit toeneemt, de stroom van de Si NW's duidelijk toeneemt. De verbetering kan ongeveer drie keer zo groot zijn als de laserintensiteit toeneemt van 0 tot 8 W/cm ² onder de bias van -1,5 V, wat goed overeenkomt met de resultaten die zijn verkregen met huidige afbeeldingen. Om een ​​kwantitatieve analyse te krijgen, wordt een bekend thermionisch emissiemodel voor een metaal-halfgeleidercontact gebruikt [13, 49]. In dit model kunnen de IV-karakteristieken van een Schottky-contact met een n-type halfgeleider in aanwezigheid van serieweerstand worden benaderd als [13]:

waar n is de ideale factor en R _S is de serieweerstand. Ik _S is de verzadigingsstroom, die kan worden uitgedrukt door:

waar A is het contactgebied, \(A^{*}\) is de constante van Richardson, en φ _B is de Schottky-barrièrehoogte (SBH) tussen de metalen punt en Si-nanodraad. SBH kan dus worden verkregen met de formule:

een Typische IV-curven van Si NW's met een diameter van 190 nm en een lengte van 800 nm onder verschillende laserstraling. b SBH-waarden verkregen door het aanbrengen van IV-curven in a . De diameter- en lengteafhankelijke SBH-waarden onder 8 W/cm ² laserstraling wordt uitgezet in c , d , respectievelijk

De I-V-curven in figuur 4a kunnen goed worden aangepast door Vgl. (2). Om de SBH-waarden uit de verzadigingsstroom te halen, wordt aangenomen dat de effectieve Richardson-constante \(A^{*}\) ongeveer gelijk is aan die van bulksilicium, d.w.z. 112 A cm ⁻² K ⁻² voor n-type silicium. Het contactgebied wordt verondersteld 2 × 10 ^–11 . te zijn cm ² door de Cr/Pt-gecoate puntradius als 25 nm te nemen. De SBH-waarden zijn ongeveer 474, 453, 437, 429 en 416 meV voor verschillende laserintensiteiten van 0, 2, 4, 6 en 8 W/cm ² , respectievelijk, zoals uitgezet in Fig. 4b. Het toont aan dat SBH aanzienlijk afneemt met de laserintensiteit, die mogelijk de belangrijkste bijdrage levert aan de fotoverbeterde geleiding. Ondertussen wordt de afhankelijkheid van SBH van de diameter en lengte van de nanodraden bij dezelfde laserintensiteit gegeven in respectievelijk Fig. 4c, d. De resultaten geven aan dat Si NW's met kleinere diameters en kortere lengtes kleinere SBH-waarden hebben, wat resulteert in een betere fotogeleiding verkregen op dergelijke nanodraden. De diameter- en lengteafhankelijkheid van SBH onder verschillende laserbestraling worden getoond in aanvullend bestand 1:Fig. S3, dat de bovenstaande conclusie verder ondersteunt. Het is duidelijk dat alle gemeten SBH-waarden voor Si NW's met verschillende diameters en lengtes kleiner zijn dan die van het bulk Si (~ -600 meV) [40] en verder afnemen met de verhoogde laserintensiteit, wat aangeeft dat Si NW's veelbelovende fotogeleidende eigenschappen kunnen bereiken voor mogelijke toepassingen.

Daarom kan uit de bovenstaande resultaten worden geconcludeerd dat de fotogeleidende eigenschappen van Si NW's sterk afhankelijk zijn van hun diameters en lengtes, dwz Si NW's met kleinere diameters en kortere lengtes vertonen een betere fotogeleiding, wat moet worden toegeschreven aan de grootte-afhankelijke SBH als onthuld door IV-curve fitting. Het exacte mechanisme over de grootte-afhankelijkheid van SBH is nog niet duidelijk. Het kan te maken hebben met de interfacetoestanden en/of de wanordelijke structuur in de ruwe buitenlaag. Volgens de eerdere studies [50,51,52] zouden geladen interfacetoestanden SBH effectief kunnen verminderen. Bijvoorbeeld in referentie [50], Yoon et al. verondersteld dat de door de interfacetoestand geïnduceerde drageroverdracht twee tegengestelde geladen lagen zou vormen met negatief geladen oppervlaktetoestanden en het gelijke aantal positieve ladingen, die een elektrisch veld zouden kunnen genereren in tegenstelling tot het ingebouwde elektrische veld, wat resulteert in een effectieve verlaging van SBH dat sterk afhankelijk was van de diameter van nanodraden. Door gebruik te maken van eindige-elementenmodellering en de nanodraad te behandelen als een cilindrische coaxiale condensator, ontdekten ze dat de omvang van de barrièreverlaging zou toenemen naarmate de diameter van de nanodraad kleiner werd. In ons geval zou, vanwege het ruwe oppervlak van door MACE gefabriceerde nanodraden, bij contact met de metalen punt, een grote dichtheid van interfacetoestanden worden gegenereerd die ook de barrièrehoogte effectief kunnen verlagen door het bovenstaande gezichtspunt aan te nemen. De dichtheid van de oppervlaktetoestand neemt toe met een kleinere diameter van de nanodraad, kleinere SBH kan worden bereikt op de nanodraden met kleinere diameters. Si NW's met kleinere diameters vertonen dus een grotere geleiding. Omdat SBH voor alle diameters afneemt met de laserintensiteit, vertonen Si NW's met kleinere diameters ook een grotere fotogeleiding.

De reden waarom de waarden van SBH lengteafhankelijk zijn, kon echter niet vanuit dit gezichtspunt worden geïnterpreteerd. Langere nanodraden hebben meer MACE-tijd nodig om te fabriceren, wat resulteert in meer oppervlaktewanorde of ruwheid. Verschillende veranderingen in de oppervlakte-microstructuren kunnen verschillende veranderingen van SBH-waarden introduceren, waarvoor verder onderzoek nodig is om dit uit te werken. Hoe dan ook, wat de oorsprong van de grootte-afhankelijkheid van fotogeleidende eigenschappen ook is, de grootte-afhankelijke SBH-verlaging zou kunnen resulteren in een hogere geleiding of fotogeleiding, wat gunstig zou moeten zijn voor praktische toepassingen.

Fotogegenereerde gevangen ladingen en wijziging van barrièrehoogte

Om de SBH-resultaten van Si NW's verkregen door PCAFM verder te verifiëren, werden EFM-beelden gemeten op Si NW's onder verschillende laserbestraling, zoals weergegeven in Fig. 5a-d. Het is te zien dat de elektrostatische kracht faseverschuiving veroorzaakte (ΔΦ ) neemt duidelijk toe met de laserintensiteit. Het faseverschuivingsbeeld verkregen in lijnscanmodus bovenaan in het midden van de nanodraad wordt weergegeven in figuur 5e, en de gemiddelde faseverschuiving over de scanlijn langs de gemarkeerde curve wordt getekend in figuur 5f. Beiden vertonen duidelijk de toename van ΔΦ met laserintensiteit.

Het topografische beeld van Si NW's (a ), de faseverschuivingsbeelden verkregen bij verschillende laserintensiteiten van 0 (b ), 4 (c ) en 10 W/cm ² (d ), respectievelijk. e Het faseverschuivingsbeeld verkregen in lijnscanmodus bovenaan in het midden van nanodraad. De gemiddelde faseverschuiving over de scanlijn langs de gemarkeerde rode curve in e is uitgezet in f

Voor meer definitieve informatie van EFM-metingen, ΔΦ werd gemeten als een functie van de aangelegde spanning (V _EFM ) onder verschillende laserstraling op een bepaalde enkele nanodraad. Een set van ΔΦ ~ V _EFM krommen gemeten op de Si-nanodraad met een diameter van 190 nm en een lengte van 800 nm worden in figuur 6a weergegeven als de verspreide stippen. Het is te zien dat, met de toename van de laserintensiteit, de ΔΦ ~ V _EFM curven verschuiven naar beneden. Het geeft aan dat er meer dragers worden gegenereerd en gevangen in nanodraden [45]. Voor kwantitatieve analyse wordt het tip-sample-systeem eenvoudigweg behandeld als een vlakke condensator, en de capacitieve elektrostatische krachtgradiënt zou een faseverschuiving veroorzaken bij het toepassen van een bias tussen de tip en het monster. Met ladingen gevangen in de nanostructuren door laserbestraling, zou extra faseverschuiving veroorzaakt door de Coulomb-kracht worden gegenereerd [53]. De door EFM gedetecteerde faseverschuiving kan worden beschreven als [54, 55]:

waar C , V _EFM en V _CPD zijn respectievelijk de capaciteit, de aangelegde gelijkspanning en het contactpotentiaalverschil tussen de punt en het monster. V _s is de hoeveelheid ladingen gevangen in de nanodraad, Q is de kwaliteitsfactor en k is de veerconstante van de sonde, en z is de afstand tussen de opgesloten ladingen in nanodraad.

ΔΦ ~ V _EFM krommen in Fig. 6a kunnen goed worden aangepast met behulp van Vgl. (5), weergegeven als de ononderbroken lijnen. Van de aanpasparameters, V _CPD en Q _s kan worden verkregen met Q = 186 en k = 2,8 N/m voor Pt/Ir-gecoate tip [56, 57] en benadert z als de hefhoogte, die in figuur 6b zijn uitgezet als een functie van de laserintensiteit. Het is te zien dat, met de toename van de laserintensiteit, V _CPD neemt af terwijl de gevangen ladingen Q _s toenemen. Zoals gerapporteerd in de literatuur [46], is de verandering van V _CPD onder laserbestraling was gerelateerd aan de variatie in de dichtheid van ingesloten dragers. Dus de afname van V _CPD met laserbestraling in onze experimenten kan ook worden toegeschreven aan de toename van de opgesloten ladingsdichtheid.

een ∆Φ ~ V _EFM krommen gemeten door EFM op individuele Si NW's met een diameter van 190 nm en een lengte van 800 nm onder verschillende laserstraling. b De resultaten van Qs en V _CPD verkregen door de curven in a . te passen als functie van de laserintensiteit. De diameter- en lengteafhankelijkheid van V _CPD bij een laserintensiteit van 8 W/cm ² wordt gepresenteerd in c , d , respectievelijk

Uit het energiediagram in Aanvullend bestand 1:Fig. S4, is de waarde van SBH ongeveer gelijk aan qV _CPD plus E _n (= E _C − E _F ) [40]. Als E _n is een constante voor alle Si NW's gemaakt van hetzelfde materiaal, de grootte-afhankelijkheid van 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. Het is te zien dat de 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).