Fácil fabricación de canales de red de nanocables de ZnO autoensamblados y su detección UV controlada por puerta

Formación de canales y control de espesor de dispositivos FET de la red ZnO NW. un Imagen óptica ampliada de un canal de red NW de 6 μm de longitud y electrodos de Al. El recuadro es una micrografía óptica de dispositivos de matriz de 10 × 10 con canales con micropatrones. b Imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) que muestran el ensamblaje selectivo de ZnO NW en patrones de líneas con diversos anchos de línea de 5, 10 y 20 μm. c Imagen AFM de la red ZnO NW. d Distribución media de la altura frente a la velocidad de tracción a diferentes velocidades de tracción de 0,5 ~ 10 mm min ⁻¹ . El recuadro muestra el perfil de altura de AFM para diferentes velocidades de tracción de 0,5, 2, 10 mm min ⁻¹

Como se muestra en la Fig. 2b, pudimos obtener patrones de ZnO NW con diversos anchos de línea de 5, 10 y 20 μm cambiando el SiO ₂ tamaño del patrón de región. Las regiones de OTS circundantes son apolares debido a los terminales metilo de las moléculas de OTS. Se cree que los NW se adsorben solo en el SiO ₂ polar regiones por interacción de van der Waals [40]. El ensamblaje selectivo de ZnO NW también se confirmó con espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS) (consulte el archivo adicional 1:Figura S2). Aquí, las señales de Zn se limitaron a aquellas regiones con ZnO NW.

Las propiedades físicas de los canales de red de percolación de ZnO NW, como el grosor y la densidad, se controlaron modulando la velocidad de extracción del sustrato de la solución NW durante el ensamblaje NW. La Figura 2c muestra las imágenes AFM (microscopía de fuerza atómica) de redes ZnO NW ensambladas a diferentes velocidades de tracción de 0.5, 2 y 10 mm min ⁻¹ . El perfil de altura promedio frente a la velocidad de tracción se muestra en la Fig. 2d. La densidad NW fue 1,21 NW μm ⁻² a una velocidad de tracción de 0,5 mm min ⁻¹ y 0,09 NW μm ⁻² a 10 mm mínimo ⁻¹ . El espesor del canal NW aumentó al reducir la velocidad de tracción. La altura del canal NW era generalmente alrededor de 1.5 ~ 2 veces mayor que el diámetro promedio NW único de 200 nm a la velocidad más lenta 0.5 mm min ⁻¹ (Fig. 2d, recuadro). A una velocidad de tracción de 10 mm min ⁻¹ , la conexión de red alcanzó el límite de filtración, más allá del cual la red no mostró conexión. Los métodos actuales de fabricación de dispositivos de red de ZnO NW generalmente implican la deposición de electrodos de una película recubierta de ZnO NW, seguida de algún tipo de proceso de grabado para definir los canales [38, 39]. Este método es difícil de controlar las dimensiones físicas, como el ajuste del ancho del canal de ZnO. Para superar estos problemas, se ha estudiado un método que utiliza el crecimiento hidrotermal de ZnO NW en capas pre-modeladas [44, 45], pero también requiere un proceso de grabado adicional y / o procesos de cultivo hidrotermal que requieren tiempo y costo. Por el contrario, nuestro método puede controlar fácilmente el ancho y la longitud de un canal modelando previamente el canal con moléculas OTS y luego ensamblando los NW a través de un sistema de tracción.

Las propiedades eléctricas también se pueden controlar modulando la velocidad de tracción. La figura 3 muestra las propiedades eléctricas antes del tratamiento térmico. La Figura 3a muestra el cambio de las características I – V con diferentes velocidades de tracción. Cuando la velocidad de tracción se redujo de 2 a 0,5 mm min ⁻¹ , la corriente inicial aumentó de 5 a 50 nA a 1 V. Esto se debe presumiblemente al aumento de la conectividad de la red con una mayor densidad de NW en el canal. Las curvas características típicas I – V dependientes de la puerta de un ZnO NW FET fabricado a 2 mm min ⁻¹ la velocidad de tracción se muestra en la Fig. 3b, c. La Figura 3b muestra las características I – V a diferentes voltajes de puerta V _g valores (de - 60 V a 60 V en pasos de 20 V). El yo _ds - V _g Las características de la compuerta en la Fig.3c muestran características típicas de tipo n con una relación de encendido-apagado aumentada en cinco órdenes de magnitud desde la corriente de apagado de 3 pA a 556 nA y una corriente de apagado disminuida cuando la velocidad de tracción se incrementó de 0,5 a 2 mm min ⁻¹ (Ver archivo adicional 1:Figura S3). Este aumento de la relación de encendido-apagado con una densidad de película disminuida se puede explicar observando que el canal se ve más afectado por el campo eléctrico de la puerta trasera a medida que hacemos que el canal NW sea más delgado [46]. Además, la velocidad de tracción tiene un efecto sobre el rendimiento del dispositivo y la distribución de frecuencia de resistencia de dos sondas (archivo adicional 1:Figura S4). La resistencia muestra el valor promedio de 28.2 ± 4 MΩ y ~ 92% de rendimiento a 0.5 mm min ⁻¹ . Sin embargo, la distribución cambia a 877 ± 280 MΩ y un rendimiento de ~ 78% a 2 mm min ⁻¹ velocidad de tracción. Aquí, el rendimiento se define como la fracción numérica de dispositivos con valores de resistencia medibles por encima del ruido del equipo.

Conectividad y propiedades eléctricas de la red ZnO NW mediante control de la velocidad de tracción. un Propiedades eléctricas del FET de la red de ZnO NW de velocidad de tracción 0,5 y 2 mm min ⁻¹ . Características típicas de corriente-voltaje de dispositivos fabricados a diferentes velocidades de tracción de 0,5 y 2 mm mín. ⁻¹ . Los canales de red mostraron contacto Schottky de - 1 a 1 V. Los recuadros son imágenes SEM del canal de red a 0.5 (arriba a la izquierda) y 2 (abajo a la derecha) mm min ⁻¹ . Las barras de escala son de 10 μm para ambos casos. b Características de corriente-voltaje de varios voltajes de puerta trasera. V _g osciló entre - 60 V y 60 V en pasos de 20 V. c yo _ds frente a V _g relaciones del canal de red de ZnO NW fabricadas en varios V _ds . V _ds osciló entre 0 y 7 V en pasos de 1 V

Aquí, la característica de puerta del FET no tiene un régimen de saturación limpio. Según informes anteriores, la red ZnO NW no exhibió un régimen de saturación limpio, posiblemente debido al aumento de la dispersión de portadores por la ruta compleja de la red NW, la gran superficie y los límites de grano en las uniones NW [47]. Nuestra red de ZnO NW forma una serie de caminos entre una fuente y un drenaje. Además, el canal de red ZnO NW tiene un grosor de hasta aproximadamente 0,4 μm (Fig. 2d). El grosor no uniforme del nanoalambre causa una distancia diferente a la puerta para cada nanoalambre, y el grado de modulación es ligeramente diferente. Por lo tanto, la característica FET no tiene un régimen de saturación limpio como un FET de un solo nanocable.

Las propiedades eléctricas de los dispositivos tal como se fabrican pueden mejorarse mediante un proceso de tratamiento térmico posterior para mejorar la uniformidad de las propiedades eléctricas y reducir aún más la resistencia de contacto entre los NW [41]. El tratamiento térmico se realizó en condiciones de baja presión a 300 ° C durante 10 min mientras fluía gas Ar a 100 sccm (consulte el archivo adicional 1:Figura S5). La Figura 4 muestra el cambio de propiedad eléctrica de las muestras fabricadas a 2 mm min ⁻¹ velocidad de tracción. Después del tratamiento térmico, la corriente a 1 V de polarización aumentó de 600 nA a 6,5 ​​μA (Fig. 4a). La distribución de frecuencia de resistencia en la Fig. 4b muestra una caída de la resistencia promedio de 877 ± 280 MΩ a 207 ± 37 kΩ, aproximadamente 3 órdenes de magnitud. Además, el rendimiento del dispositivo aumentó del 78 al 90%, presumiblemente debido al contacto eléctrico mejorado entre los NW. Nos enfocamos en aprovechar las ventajas de la mejora de la conexión NW mediante el tratamiento térmico. Por esta razón, la temperatura no se elevó a más de 400 ° C donde el ZnO recristaliza. Se ha informado que tal recristalización afecta las características de adsorción y desorción de oxígeno en la superficie de ZnO durante la iluminación ultravioleta [41]. Por lo tanto, con el fin de obtener solo la mejora de la conexión entre los NW a través del tratamiento térmico, se realizó un tratamiento térmico hasta 300 ° C para mejorar la interfaz entre los NW. Esto resultó en una mejora de la estabilidad y características eléctricas. Creemos que nuestro proceso de tratamiento térmico podría eliminar las moléculas adsorbentes como la humedad o la hexametilentetramina (HMTA), ya que la temperatura de nuestro proceso es más alta que el punto de fusión del HMTA (290 ° C). Esto resultó en la mejora del rendimiento de NW FET porque mejora la unión entre los NW y elimina otras moléculas adsorbentes que degradan el rendimiento de los NW, como la humedad.

Propiedades eléctricas de la red de ZnO NW después del tratamiento térmico. un Características típicas de corriente-voltaje antes y después del recocido de la velocidad de tracción 2 mm min ⁻¹ . Los canales de la red mostraron el comportamiento de contacto de Schottky. (recuadro) Características I – V antes del recocido, magnificadas. b Distribución de frecuencia de resistencia de la red de ZnO NW extraída a una velocidad de 2 mm min ⁻¹ . La resistencia promedio disminuyó durante aproximadamente tres órdenes. ( c ) Características I – V a diferentes voltajes de puerta trasera. V _g osciló entre - 60 V y 60 V en pasos de 20 V. d Propiedades eléctricas de I _ds frente a V _g después del tratamiento térmico. e Comparación de I / Yo _desactivado relación a diferentes V _g valores, antes y después del tratamiento térmico ( V _g paso =5 V). f Transconductancia mejorada por tratamiento térmico

El típico yo _ds - V _ds y yo _ds - V _g Las curvas características de un ZnO NW FET se muestran en la Fig. 4c, d. La figura 4e muestra que I _ds - V _g las curvas características son similares antes y después del tratamiento térmico, y el máximo I _en / I _desactivado la proporción es ~ 2 × 10 ⁵ . Esto indica que el tratamiento térmico solo mejora la conexión entre los NW para reducir la resistencia y no provoca un cambio en las propiedades eléctricas intrínsecas. La figura 4f muestra la mejora de la transconductancia dI _ds / dV _g después del tratamiento térmico, lo que puede atribuirse a la movilidad mejorada de los electrones en el dispositivo ZnO NW. La transconductancia máxima ( g _m =dI _ds / dV _g ) se extrajo de la pendiente máxima del I _ds - V _g características y la relación máxima de encendido-apagado a 7 V de V _ds . (Archivo adicional 1:Figura S6). La transconductancia máxima calculada fue ~ 47 nS a V _g =- 30 V. Usamos la fórmula μ = g _m · L / ( W · C _d · V _ds ) para el cálculo de la movilidad estimada [48]. Se calculó que la movilidad era de 0,175 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Esto es comparable a los valores reportados anteriormente de 0.018 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ utilizando la matriz de dispositivos ZnO NWs [49].

Finalmente, observamos la fotorrespuesta UV de los FET de la red ZnO y su dependencia del voltaje de la puerta. La Figura 5a muestra las características I – V con iluminación UV a un voltaje de puerta diferente (de - 60 V a 60 V, en pasos de 20 V). El yo _ds -V _g Las características bajo iluminación UV en la Fig. 5b muestran una relación de encendido / apagado disminuida. La luz ultravioleta tuvo el efecto de aumentar la corriente de salida del dispositivo FET de tipo n creando un portador fotoexcitado. La Figura 5c muestra la diferencia de corriente medida para la condición de luz ultravioleta encendida y apagada. La fotorrespuesta UV ( I _ligero / I _oscuro :relación entre la fotocorriente y la corriente oscura) varía según el voltaje de la puerta aplicada y muestra el valor máximo de la relación de 8,6 × 10 ⁵ en V _g - 55 V o menos. El recuadro de la Fig. 5c muestra I _ds - V _g características con y sin iluminación UV cuando V _ds =7 V ( V _ds -I _ds características que se muestran en el archivo adicional 1:Figura S7). La figura 5d muestra una relación lineal entre I _ligero / I _oscuro y la razón de corriente intermitente ( I _en / I _desactivado ). El yo _en / I _desactivado aumento conduce a la mejora de la fotorreactividad UV. Para mostrar la mejora con un aumento del valor actual V _ds , trazamos los datos de la Fig. 5d como un valor de encendido-apagado de acuerdo con la corriente (inserción). Entonces, la V _g =- 60 V y V _ds =La condición de 7 V era la condición óptima donde el I _ligero / I _oscuro La proporción fue máxima al comparar antes y después de la iluminación UV.

Características de detección de UV de ZnO NW FET. un Características I – V bajo iluminación UV a diferentes voltajes de puerta trasera. V _g osciló entre - 60 V y 60 V en pasos de 20 V. b Propiedades eléctricas de I _ds frente a V _g bajo iluminación ultravioleta. c yo _lignt / Yo _oscuro como un cambio de voltaje de la puerta. Máximo I _lignt / Yo _oscuro se obtuvo alrededor de V g ~ - 55 V. Recuadro, I _ds - V _g características bajo iluminación ultravioleta y bajo oscuridad. d Relación lineal entre la relación de corriente foto / oscuridad ( I _lignt / Yo _oscuro ) y la razón de corriente inicial on-off ( I _en / Yo _desactivado ) del ZnO NW FET. El recuadro muestra la I inicial _en / Yo _desactivado relación para varios V _ds . El máximo I _en / Yo _desactivado la proporción estaba en V _ds =7 V. e Fotorrespuesta del fotodetector FET de red ZnO NW con y sin iluminación UV en el aire. El recuadro muestra características de desintegración exponencial después de que se apaga la luz ultravioleta. f Fotorrespuesta resuelta en el tiempo de los dispositivos del canal de red ZnO NW grabada al encender y apagar la luz ultravioleta

yo _ds -V _g Las características bajo luz ultravioleta mostraron que el transistor cambió de un estado semiconductor (Fig. 4c) a un estado de conducción (acumulación) (Fig. 5b). Se puede esperar que este cambio aumente la concentración del portador fotoexcitado a un nivel degenerado bajo la luz ultravioleta [50]. El yo _ligero / Yo _oscuro las proporciones de nuestros dispositivos fueron aproximadamente 2 × 10 ⁴ , 10 y 6, a voltajes de puerta de - 60 V, 0 V y 60 V, respectivamente (Fig. 5e). Esto muestra que la fotorreactividad UV se puede ajustar mediante el voltaje de la puerta. Como V _g disminuyó, la fotorrespuesta aumentó.

Comparamos el rendimiento de fotorreactividad de los fotodetectores basados ​​en red ZnO NW de otros estudios. Por ejemplo, las matrices de nanocables de ZnO cultivadas con CVD mostraron fotorrespuesta UV ( I _ligero / Yo _oscuro ) de ~ 10 ⁴ [33, 51]. En nuestro caso, podríamos lograr una respuesta de fotodetector similar de 2 × 10 ⁴ sin utilizar ningún proceso de alta temperatura y / o alto vacío. Otros estudios que utilizaron métodos como la impresión por inyección de tinta [47] o nanocables alineados verticalmente [52] mostraron niveles de fotorrespuesta de 10 ³ a 10 ⁴ , que son comparables o ligeramente inferiores a los de nuestro estudio (consulte el archivo adicional 1:Figura S8). Además, nuestra investigación muestra características controlables por puerta, lo cual es ventajoso para ajustar la sensibilidad del dispositivo de acuerdo con las condiciones de luz.

La respuesta UV de ZnO NW puede explicarse por la modulación de la región de agotamiento resultante de la desorción y adsorción de oxígeno [53]. La luz ultravioleta provoca la desorción de los iones de oxígeno adsorbidos en la superficie de ZnO NW. La desorción de oxígeno aumenta el grosor efectivo del canal, lo que da como resultado un aumento de la corriente a través de los NW. Además, la reducción de la región de desorción debida a la desorción de oxígeno por la luz ultravioleta reduce la altura de la barrera de unión entre los NW, lo que hace que la deriva del flujo de corriente sea más eficiente [54, 55]. Debido a que nuestros dispositivos exhibían comportamientos semiconductores de tipo n, la corriente oscura se minimizó con un V negativo grande _g . Por lo tanto, se maximizó la fotorreactividad en el voltaje de la puerta negativa grande (consulte el archivo adicional 1:Figura S9).

Además, el voltaje de la puerta afecta el tiempo de recuperación al estado inicial cuando se apaga la luz ultravioleta. El tiempo de caída (decaimiento) cuando V _g =- 60 V y + 60 V son 52 sy 141 s, respectivamente, mostrando la diferencia en tres veces (recuadro, Fig. 5e). El tiempo en el que la corriente aumenta (tiempo de subida) o disminuye (tiempo de bajada) del 10% al 90% se define como el tiempo de recuperación. El campo eléctrico debido a la polarización de la puerta afecta la posibilidad de recombinación de electrones y huecos en el proceso de absorción de moléculas de oxígeno que fue desorbido por la luz ultravioleta [56, 57]. Esto está involucrado en el tiempo para volver al estado inicial del dispositivo. Por tanto, el tiempo de recuperación podría retrasarse o acortarse según el campo eléctrico. La Figura 5f muestra la fotorrespuesta repetitiva aplicando V _g =- 60 V. Esto muestra la fotorrespuesta resuelta en el tiempo de los dispositivos del canal de red ZnO NW registrada al encender y apagar la luz ultravioleta. Confirmamos que no se produce degradación de la fotorreactividad por respuestas UV repetitivas.

Conclusiones

Demostramos un método de fabricación eficaz de matrices de sensores UV controlados por puerta utilizando ZnO NW FET. Nuestros dispositivos de ZnO NW tienen estructuras de ZnO NW con ancho y espesor de canal controlable sin utilizar ningún proceso de grabado químico o de plasma, este proceso suave combinado con el tratamiento térmico por debajo de la temperatura de recristalización de ZnO (~ 400 ° C) resultó en la fabricación fácil a gran escala de la compuerta -sensores UV controlados con alta relación de encendido y apagado y fotorreactividad con un rendimiento del dispositivo del 90%. Los sensores UV de red ZnO NW fabricados muestran propiedades de compuerta tipo n con una relación de encendido / apagado de 10 ⁵ , transconductancia alrededor de 47 nS y movilidad alrededor de 0,175 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Estas propiedades eléctricas pueden modularse mediante parámetros del proceso en el método de tracción, como la velocidad de tracción. Las propiedades eléctricas se pueden mejorar aún más con el método de tratamiento térmico. Los dispositivos muestran una alta sensibilidad a la luz ultravioleta, y la fotorreactividad y el tiempo de respuesta se pueden controlar mediante el voltaje de la puerta. Esperamos que nuestro proceso y el rendimiento del dispositivo aceleren el proceso de comercialización de las aplicaciones basadas en ZnO NW.

Abreviaturas

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

DCB:

Diclorobenceno

EDS:

Espectroscopia de rayos X de dispersión de energía

FET:

Transistor de efecto de campo

HMTA:

Hexametilentetramina

NW:

Nanocable

OTS:

Octadeciltriclorosilano

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

ZnO:

Óxido de zinc

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