Vervaardiging van rectificatie-nanosensoren door gelijkstroom-diëlektroforese-uitlijning van ZnO-nanodraden

Resultaten en discussie

Figuur 2a, b toont respectievelijk het bovenaanzicht en de dwarsdoorsnede-SEM-afbeeldingen van ZnO NW-arrays die zijn gegroeid door de hydrothermale methode. De ZnO NW's hadden een zeshoekige vorm, een gemiddelde diameter van 120 nm en een lengte van 3,5 m. Figuur 2c toont het TEM-beeld van een individuele ZnO NW, die een eenkristallijne structuur is en de groeirichting van [001], zoals bevestigd door het TEM-beeld met atomaire resolutie in figuur 2d.

een Bovenaanzicht en b transversale SEM-afbeeldingen van ZnO NWs-arrays vervaardigd door de DC-DEP-methode. c TEM-beeld van ZnO NW. d Atomaire resolutie TEM-beeld van ZnO NW komt overeen met het rode vierkant in c . De inzet is de SAD-patronen van ZnO NW

De concentratie van de oorspronkelijke ZnO NW-suspensie werd geschat op ongeveer 2,5 × 10 ⁶ #/μl. De originele ZnO NW-suspensie werd verdund met 20 x en op de gescheiden Au / Ti-elektroden gedruppeld met een DC-bias van 1 tot 7 V in het DEP-uitlijningsproces. De ZnO NW's uitgelijnd over de Au/Ti-elektroden, parallel aan elkaar bij een spanning van 1 tot 3 V; de dichtheid van de uitgelijnde ZnO NW's nam toe met de toegepaste bias (aanvullend bestand 1:Fig. S1). Toen de toegepaste bias echter 4 V overschreed, braken de elektroden gemakkelijk (aanvullend bestand 1:Fig. S2). De dichtheid van de uitgelijnde ZnO NW's werd geregeld door de concentratie van de ZnO NW-suspensie te variëren. Om een ​​individueel ZnO NW-apparaat te fabriceren met het oog op het meten van de elektrische eigenschappen ervan, werden daarom verschillende concentraties ZnO NW-suspensies gebruikt bij aangelegde spanningen van 1, 2 en 3 V. Figuur 3 geeft de IV-curves van het gefabriceerde individu weer. ZnO NW-apparaten met spanningen van 1, 2 en 3 V toegepast op de afvoerelektrode in het DEP-uitlijningsproces. Er werd gelijkrichtend gedrag waargenomen wanneer de aangelegde spanning 3 V was. De IV-curven van ongeveer 70% van de apparaten vertoonden gelijkrichtend gedrag en die van andere apparaten hadden contactweerstand. Toen de aangelegde spanning kleiner was dan 2 V hadden bijna alle apparaten een hoge contactweerstand.

IV-curves van het individuele ZnO NW-apparaat met spanningen van 1, 2 en 3 V toegepast op de afvoerelektrode in het DEP-uitlijningsproces

Figuur 4 toont het SEM-beeld van het individuele ZnO NW-apparaat dat werd gefabriceerd met een spanning van 3 V in het uitlijningsproces en een rectificerend IV-kenmerk vertoonde. De TEM-afbeeldingen en select area-elektronendiffractie (SAED) -analyse van dit rectificerende apparaat worden getoond in Fig. 5. De kristalstructuren aan de bron- en afvoerzijde en het midden van de nanodraad waren allemaal hetzelfde als die van de ZnO NW vóór uitlijning, wat inhoudt dat het uitlijningsproces geen significante structurele schade toebrengt aan nano-objecten. Om te begrijpen waarom de I-V-curve rectificerend gedrag vertoonde, werd de chemische samenstelling van de ZnO / Au-interfaces aan beide uiteinden van de ZnO NW bepaald door energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS), zoals weergegeven in Fig. 6 Het concentratie-afstandsprofiel van Au impliceert dat Au diffundeerde van de elektrode naar ZnO NW. Beide atomaire concentraties van Zn en O op ongeveer 60-140 nm verwijderd van het ZnO / Au-interface waren ongeveer 50%. In de richting van het grensvlak nam de concentratie van Zn eerst iets toe en nam daarna snel af, terwijl de concentratie van O langzaam afnam. We leiden de volgende redenen af. De ZnO/Au-interface vertoonde contactweerstanden wanneer de ZnO NW werd geadsorbeerd op beide Au-elektroden in het DEP-uitlijningsproces. De temperatuur van de NW/elektrodecontacten nam toe met de hoge elektronenfluxstroom door de contacten als gevolg van Joule-verwarming [20], waardoor de Au-atomen van de Au-elektroden naar de binnenste ZnO NW's diffundeerden. Zn-atomen werden naar de binnenkant van ZnO NW geduwd en er werden Zn-vacatures gevormd.

SEM-beeld van het individuele ZnO NW-apparaat dat werd gefabriceerd met een spanning van 3 V in het uitlijningsproces en een gelijkrichtende IV-karakteristiek vertoonde

een TEM-afbeeldingen van het individuele ZnO NW-apparaat dat werd gefabriceerd met een spanning van 3 V in het uitlijningsproces en vertoonde een rectificerende IV-karakteristiek. Het atomaire TEM-beeld van de afvoerzijde van ZnO NW en het gebied komt overeen met het linker vierkant in a . Het atomaire TEM-beeld van het midden van ZnO NW en het gebied komt overeen met het middelste vierkant in a . Het atomaire TEM-beeld van de bronzijde van ZnO NW en het gebied komt overeen met het rechter vierkant in a

De chemische samenstelling van de ZnO/Au-interfaces aan beide zijden van de ZnO NW werd bepaald met energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS). De TEM-afbeeldingen van de a afvoer en b bronzijden van ZnO NW. c De concentratie-afstandsprofielen van Zn, O en Au langs de c AA′ en d BB′ worden weergegeven in a , b , respectievelijk

Figuur 6 geeft aan dat de Au-concentratie aan de afvoerzijde hoger is dan die aan de bronzijde, wat aangeeft dat de temperatuur aan de afvoerzijde hoger was dan die aan de bronzijde vanwege het asymmetrische Joule verwarmingseffect. Bovendien waren enkele apparaten die waren gefabriceerd met een DC-bias van 3 V aan de afvoerzijde vervormd, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:Fig. S3. Voor de apparaten die werden gefabriceerd onder toegepaste voorspanning van 5 V en 7 V DC, werden de anodegebieden ernstig beschadigd door smelten en vervolgens de kathodegebieden, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:Fig. S2. Deze verschijnselen geven ook aan dat de Joule-verwarming asymmetrisch was.

Om de fotogevoelige eigenschappen van het rectificerende ZnO NW-gebaseerde apparaat te onderzoeken, werd 365 nm UV-licht met verschillende intensiteiten verticaal op de apparaten geschenen terwijl de overeenkomstige fotoresponskenmerken werden vastgelegd. Figuur 7a geeft de IV-curves van dit apparaat weer, waaruit blijkt dat de fotostroom kan worden geïnduceerd. Figuur 7b, c toont de tijdsafhankelijke fotorespons van dit rectificerende apparaat onder periodieke belichtingen. Een hogere gevoeligheid werd bereikt wanneer het apparaat omgekeerde bias vertoonde. De lichtgevoeligheid (S) werd berekend met behulp van de volgende vergelijking [21],

waar ik _UV/Vis en ik _donker zijn de stromen die respectievelijk onder verlichting en in het donker werden gemeten. De responstijd en hersteltijd worden gedefinieerd als de tijd die de sensor nodig heeft om 90% van zijn constante weerstand te bereiken en terug naar 10% van de waarde. [22] Zoals getoond in figuur 7b, toen het apparaat onder UV-excitatie stond bij  + 3 V in de voorwaartse vooringenomen modus, nam de stroom toe van  ~ 2.5 tot  ~ 5.75 μA. De gevoeligheid was 2,3 en de respons- en hersteltijden waren respectievelijk 1,8 s en 4,9 s. Aan de andere kant, toen het apparaat onder UV-lichtexcitatie stond bij -3 V in omgekeerde vooringenomen modus, zoals weergegeven in figuur 7c, nam de stroom abrupt toe van 0, 1 tot 200 nA. De gevoeligheid was 2000, wat 870 keer zo hoog was als die van het apparaat in voorwaarts gerichte modus. De responstijd en hersteltijden waren respectievelijk 0,1 en 0,145 s, wat veel korter was dan die in de voorwaartse modus. De Pt(Ga)-ZnO NW-Pt Schottky-detector bereid door Zhou et al. [13] vertoont een gevoeligheid van 1500 bij 1 V in omgekeerde vooringenomen modus onder 365 nm UV-straling. De responstijd en hersteltijden waren 0,6 en 6 s. In vergelijking met hun apparaat heeft het apparaat in dit werk een hogere respons- en herstelsnelheid en een eenvoudiger fabricageproces. Deze methode kan dus worden beschouwd als de fabricage van andere Schottky-diodes op basis van halfgeleider nanodraden. Afbeelding 7d toont de fotostroom (I _P ) van een ZnO-NW-gebaseerde sensor bij -3 V in omgekeerde vooringenomen modus kan overeenkomen met een eenvoudige machtswet, I _P ∝ P ^0.64 , waarbij P de lichtintensiteit is. De niet-eenheidsexponent is het resultaat van het complexe proces van het genereren, vangen en recombinatie van elektronen en gaten in de halfgeleider. [23]

een IV-curven van een op ZnO-NW gebaseerde sensor onder 365 nm lichtbestraling van verschillende intensiteiten. b In de tijd opgeloste fotorespons van een op ZnO-NWs gebaseerde sensor bij  + 3 V in omgekeerde vooringenomen modus onder witte UV-verlichting door in- en uitschakelen. c In de tijd opgeloste fotorespons van een op ZnO-NWs gebaseerde sensor bij -3 V in omgekeerde vooringenomen modus onder witte UV-verlichting door in- en uitschakelen. d Fotostroom van een op ZnO-NW gebaseerde sensor bij − 3 V in omgekeerde vooringenomen modus als functie van de lichtintensiteit en de bijbehorende aanpassingscurve met behulp van de machtswet

In dit werk hebben de apparaten de metaal-halfgeleider-metaalstructuur (M-S-M). Zuurstof geadsorbeerd op het ZnO-oppervlak in lucht en gevangen vrije elektronen, waardoor het uitputtingsgebied nabij het oppervlak ontstaat. Toen de toegepaste DC-bias minder was dan 2 V in het DEP-uitlijningsproces, werd ZnO NW gewoon fysiek geadsorbeerd op de Au-elektrode. De Au/Zn-interface heeft een ernstige contactweerstand door de vorming van Schottky-contacten. Het energiediagram is weergegeven in figuur 8a. De stroom kan dus niet door het apparaat vloeien bij IV-curvemeting zoals weergegeven in Fig. 3. Toen de toegepaste voorspanning opliep tot 3 V, vond asymmetrische Joule-verwarming plaats en werd zuurstof gedesorbeerd om Au / ZnO-interface te vormen. Tegelijkertijd diffundeerden de Au-atomen van de Au-elektroden naar de ZnO NW's en gegenereerde Zn-vacatures. Eerdere studie [24] laat zien dat ZnO NW's vervaardigd door de hydrothermische methode n-type halfgeleider waren met de werkfunctie van 5,28 eV vanwege de vorming van O-vacatures. In theorie vertoonde de Au/ZnO-interface de kenmerken van Ohms contact. Toen de concentratie van Zn-vacatures hoger was dan die van O-vacatures, transformeerde het kenmerk van ZnO-nanodraad van n-type naar p-type halfgeleider omdat Zn-vacatures een acceptorachtige rol speelden. Zo transformeerde de Au/ZnO-interface zijn elektrische eigenschap naar Schottky-contact. [19] In deze studie veroorzaakte de asymmetrische Joule-verwarming het Schottky-contact aan het afvoeruiteinde en Ohms contact aan het bronuiteinde, zoals weergegeven in Fig. 8b. Daarom, als de toegepaste voorspanning voldoende was om Joule-verwarming (3 V) te induceren, werd de gelijkrichtende IV-curve verkregen.

Banddiagrammen van Au/ZnO/Au-structuur. een Het apparaat gevormd door het DEP-uitlijningsproces met de toegepaste DC-bias van minder dan 2 V. b Het apparaat gevormd door het DEP-uitlijningsproces met de toegepaste DC-bias van 3 V, c donkere omstandigheden onder omgekeerde bias en d onder verlichting met omgekeerde bias. λ is de uitputtingsbreedte

Met betrekking tot de fotoresponsprestaties had het rectificerende apparaat in omgekeerde vooringenomen modus een hoge gevoeligheid en een korte responstijd. Het banddiagram van het apparaat met een reveres-bias in het donker wordt getoond in Fig. 8c. Het grote uitputtingsgebied (λ ) belemmert de dragerstroom en vermindert de donkerstroom. UV-verlichting, het banddiagram wordt getoond in Fig. 8d. De door foto gegenereerde elektronen die zijn gecreëerd in het uitputtingsgebied van de omgekeerde Schottky-overgang, worden gevangen in de uitputtingsgebieden, waardoor het uitputtingsgebied krimpt. Het opgehoopte elektron zal gaten van de elektrode in de nanodraad aantrekken. De vernauwing van het uitputtingsgebied zorgt ervoor dat de gaten in de halfgeleider tunnelen, waardoor de stroomversterking groter dan één wordt vergroot en de gattransportsnelheid toeneemt [23, 25, 26]. Bovendien vormt de pn-overgang in de ZnO-nanodraad een potentiële barrière wanneer de fotodetector omgekeerd is voorgespannen. De IV-curven van het apparaat onder 365 nm lichtbestraling waren dus niet lineair, zoals weergegeven in figuur 7a.

In eerdere studies [17, 18] zijn rectificerende apparaten gefabriceerd door ZnO NW's op gepaarde elektroden uit te lijnen met behulp van DEP-uitlijning en hun rectificatiegedrag was het resultaat van de vorming van asymmetrische contacten in het DEP-uitlijningsproces. De richting van de rectificatie was echter willekeurig. In onze vorige studie [20] werden de rectificerende I-V-kenmerken van deze apparaten verkregen in het I-V-curve-meetproces en de richting van de rectificatie werd bepaald door de richting van de spanningszwaai. In dit onderzoek is gebruik gemaakt van een eenvoudig productieproces. Het apparaat is gefabriceerd door de DC in een door een elektrisch veld geïnduceerd assemblageproces en de richting van rectificatie werd bepaald door de richting van de stroom.