Características ópticas y eléctricas de los nanocables de silicio preparados por grabado electrolítico

Resumen

Los nanocables de silicio (SiNW) se fabricaron mediante el grabado no electrolítico de una oblea de Si (100) de tipo n en HF / AgNO ₃ . Los SiNW alineados verticalmente y de alta densidad se forman sobre los sustratos de Si. Se observan varias formas de SiNW, incluidas las redondas, rectangulares y triangulares. La reflectancia máxima registrada de los SiNW es de aproximadamente el 19,2%, que es mucho más baja que la del sustrato de Si (65,1%). La reflectancia mínima de los SiNW es de aproximadamente 3,5% en la región de UV cercano y 9,8% en las regiones de visible a IR cercano. Se encuentra que la energía de banda prohibida calculada de los SiNWs es ligeramente mayor que la del sustrato de Si. El yo - V Las características de un SiNW independiente muestran un comportamiento óhmico lineal para una polarización directa de hasta 2.0 V. La resistividad promedio de un SiNW es de aproximadamente 33.94 Ω cm.

Antecedentes

Las propiedades físicas de los nanomateriales son significativamente diferentes de las de sus homólogos a granel y dependen principalmente de su tamaño y forma. Por ejemplo, el silicio a granel emite una fotoluminiscencia infrarroja débil porque posee una banda prohibida indirecta [1]. Esta banda prohibida indirecta evita la recombinación radiativa interbanda eficaz. Por lo tanto, se introducen estructuras unidimensionales (1D), como los nanocables de silicio (SiNW), ya que son capaces de emitir de manera eficiente mediante fotoexcitación debido a los efectos del tamaño cuántico. En las dimensiones confinadas de los nanomateriales, el movimiento limitado de los electrones contribuye a mejorar las propiedades eléctricas de sus dispositivos [2].

La formación de nanoestructuras 1D Si proporciona propiedades novedosas al dispositivo, como un transporte de carga eficiente y propiedades ópticas controlables. Los SiNW son candidatos prometedores para la nanoelectrónica del futuro y especialmente los dispositivos optoelectrónicos debido a sus notables propiedades eléctricas, optoelectrónicas y mecánicas [3, 4]. Por lo tanto, una gran cantidad de investigación se ha centrado en la utilización de SiNW en una amplia gama de aplicaciones [5].

Existen numerosos métodos para fabricar SiNW, incluidos los enfoques de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba. Sin embargo, todos estos métodos tienen sus propias ventajas y desventajas. Entre los diversos métodos, el método más común es un mecanismo de crecimiento vapor-líquido-sólido (VLS), que fue propuesto por primera vez por Wagner en la década de 1960 durante sus estudios sobre el crecimiento de grandes bigotes monocristalinos [6]. Desde entonces, muchos investigadores han fabricado SiNWs usando deposición química de vapor (CVD) [7, 8], ablación con láser [9], evaporación térmica [10] y epitaxia de haz molecular [11]. Sin embargo, estas técnicas de abajo hacia arriba generalmente requieren equipos complejos, alta temperatura, alto vacío y precursores de silicio peligrosos, todo lo cual aumenta drásticamente el costo de los procesos. Además, la producción de SiNW en grandes áreas no es posible debido a las limitaciones en las configuraciones de crecimiento utilizadas [12]. Por lo tanto, se ha propuesto un método simple, a saber, el método de grabado no electrolítico, como un método sintético prometedor. La primera introducción del grabado químico de Si asistido por metal se informó en 1997, donde el Si poroso se fabricó grabando un sustrato de Si recubierto de aluminio (Al) en una solución compuesta de ácido fluorhídrico (HF), HNO ₃ y H ₂ O [13]. Desde entonces, muchos investigadores han empleado métodos similares para fabricar matrices de SiNW utilizando varios sistemas de solución de grabado, como HF / AgNO ₃ o HF / H ₂ O ₂ / AgNO ₃ [5, 12, 14,15,16,17,18,19,20].

La primera parte de este trabajo se centra en la fabricación de SiNW con las estructuras deseadas, como estructuras bien alineadas, de alta densidad y de alta uniformidad en términos de tamaño, longitud y distribución. Los SiNW se fabricaron mediante el grabado no electrolítico de una oblea de Si en una solución mixta de ácido fluorhídrico y nitrato de plata (HF / AgNO ₃ sistema). Durante el grabado de la oblea de silicio, se graba un área selectiva mientras se conserva el resto y, por lo tanto, se forman estructuras de alambre alineadas verticalmente en un rango de nanoescala. Después del ataque químico, el precipitado de plata en los SiNW debe eliminarse por completo antes de continuar con los siguientes procesos. Esto se debe a que el precipitado de plata puede actuar como una barrera e influir en las propiedades (especialmente las propiedades ópticas y eléctricas) de los SiNW. Finalmente, los SiNW fabricados se caracterizaron por su microestructura, composición elemental, morfología y propiedades ópticas y eléctricas.

Aunque muchos investigadores han investigado las propiedades ópticas de los SiNW, la mayoría utiliza medidas de transmitancia para determinar la energía de la banda prohibida. En este trabajo, las propiedades ópticas de los SiNW fabricados por grabado electrolítico en HF / AgNO ₃ se determinaron a partir de mediciones de reflectancia. Además, las características eléctricas de los SiNW se investigaron mediante mediciones de microscopía de fuerza atómica conductiva (AFM).

Métodos

Fabricación de SiNWs

Los SiNW se sintetizaron mediante el método de grabado no electrolítico asistido por metal utilizando obleas de silicio dopadas con fósforo con una orientación (100) o obleas de Si (100) de tipo n. La resistividad de las obleas osciló entre 0,75 y 1,25 Ω cm, con espesores de 500 a 550 μm. Las obleas de Si fueron suministradas por Siltronix Silicon Technologies, Francia. Luego, las obleas se limpiaron secuencialmente por ultrasonidos en acetona, etanol, agua desionizada y solución de piraña hirviendo (H ₂ SO ₄ :H ₂ O ₂ =4:1; v / v ) durante 30 min. Las obleas limpiadas se enjuagaron con agua desionizada y, por último, se sumergieron en una solución de HF durante 20 s, seguido de un lavado con agua desionizada para eliminar los óxidos nativos.

La solución de baño para el proceso de grabado no electrolítico se preparó mezclando una solución de HF 5 M con un AgNO ₃ 0,01 M solución. HF fue suministrado por JT Baker, con una pureza del 48%, grado CMOS. Además, AgNO ₃ fue suministrado por QREC, con una pureza superior al 99%.

Los sustratos de Si previamente limpiados se sumergieron en la solución de grabado preparada (grabado no electrolítico asistido por metal). La temperatura de grabado fue de 60 ° C y el tiempo de grabado fue de 60 min [21]. El proceso de grabado se realizó en un recipiente de teflón sellado dentro de una campana de humos de HF. Después del grabado, los sustratos de Si se enjuagaron rápidamente varias veces con agua desionizada, seguido de una limpieza ultrasónica durante 15 min en 3 mol / L aqua regia solución para eliminar el depósito de plata de la muestra. La solución de agua regia es una mezcla de ácido nítrico (HNO ₃ ) y ácido clorhídrico (HCl) en una relación en volumen de 1:3. Las muestras se aclararon nuevamente con agua desionizada y se secaron. HNO ₃ , con una pureza del 65%, fue suministrado por LABSCAN, y el HCl de grado CMOS fue suministrado por MERCK, con una concentración de 12 mol / L.

Caracterizaciones

La microestructura, morfología y composición química de las muestras se caracterizaron mediante microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM) equipada con un espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (EDX) (Zeiss Supra 35 VP) y un microscopio electrónico de transmisión (TEM) (Philips CM12). Se utilizó un espectrofotómetro visible ultravioleta PerkinElmer Lambda 35 para investigar la reflectancia en el rango de 200-1100 nm. La topografía de la superficie y las características eléctricas de los SiNW fueron investigadas por AFM utilizando un Seiko SPI 3800N Series comercial con un microscopio SPA-300HV [22, 23]. yo - V Las mediciones en los puntos seleccionados fueron realizadas por AFM en modo de contacto usando una punta de sonda de AFM conductora (recubierta de oro, ∅ _TIP ≈ 20 nm) aplicando un voltaje de polarización directa de 0 a 2 V a la punta del AFM.

Resultados y discusión

Microestructuras

La Figura 1 muestra las imágenes SEM de (a) el sustrato de n-Si (100) previamente limpiado antes del grabado y (b) el sustrato de n-Si (100) grabado a 60 ° C durante 60 min en 5 M HF. La oblea de silicio desnuda posee una superficie lisa similar a un espejo libre de contaminantes (Fig. 1a). La formación de estructuras mesoporosas se detectó en el sustrato de Si grabado en solución de HF (Fig. 1b). El HF es bien conocido como una solución de grabado para óxido de silicio y, por lo tanto, la formación de poros en la superficie de Si puede deberse al ataque de su óxido nativo. Sin embargo, la velocidad de grabado es muy lenta.

Imágenes SEM de a la oblea de Si previamente limpiada y b la oblea de Si grabada en 5 M HF sin AgNO ₃ solución

Los SiNW se formaron con éxito mediante el grabado asistido con plata de una oblea de Si en una solución que contenía HF 5 M y AgNO ₃ 0,01 M a 60 ° C durante 60 min. La Figura 2 muestra la imagen SEM de un sustrato después del proceso de grabado. Se formaron matrices de SiNW alineadas verticalmente sobre el sustrato cuando se introdujeron iones de plata en la solución de grabado. Además de los nanocables, también se encontraron dendritas de plata en los SiNW. Se depositan en las puntas de los alambres o en la parte inferior del sustrato.

Imagen SEM que muestra la formación de SiNW con dendritas de plata después del proceso de grabado no electrolítico (antes de la limpieza con agua regia)

La formación de silicio poroso en la etapa inicial de la fabricación de SiNW en una solución de grabado de metal iónico se inicia mediante la generación de agujeros. Se supone que el aceptor de huecos es el enlace Si-H superficial [24]. El grabado de silicio y la deposición de plata ocurren simultáneamente en la superficie de la oblea de Si. Los átomos de plata depositados primero forman núcleos y luego forman nanoclusters distribuidos en la superficie de la oblea de silicio. Estos nanoclusters de plata y las áreas de Si que rodean estos núcleos de plata podrían actuar como cátodos y ánodos locales, respectivamente, en el proceso de reacción electroquímica redox, que se puede formular como dos reacciones de media celda:

$$ \ mathrm {A} {\ mathrm {g}} ^ {+} + {\ mathrm {e}} ^ {-} \ to \ mathrm {A} \ mathrm {g} $$ $$ \ mathrm {S } \ mathrm {i} + 6 {\ mathrm {F}} ^ {-} \ to \ mathrm {S} \ mathrm {i} {{\ mathrm {F}} _ 6} ^ {2-} + 4 {\ mathrm {e}} ^ {-} $$

Numerosas celdas electrolíticas independientes a nanoescala se ensamblaron espontáneamente sobre la superficie de Si. Durante la deposición de plata, los nanoclusters de plata, que actúan como cátodos, se conservaron con éxito, mientras que el silicio circundante, que actúa como ánodo, se grabó [12, 14, 25, 26].

La Figura 3 muestra micrografías SEM de las matrices de SiNW fabricadas mediante el método de grabado no electrolítico y después de la limpieza en solución de agua regia. Las matrices de SiNW de alta densidad se pueden observar desde diferentes vistas:vista de 45 ° (Fig. 3a), vista superior (Figs. 3b, c) y vista en sección transversal / lateral (Fig. 3d). Además, las matrices de SiNW están todas bien alineadas en la dirección vertical, que sigue la orientación del sustrato de la oblea de silicio en la dirección (100). Como se muestra en la vista de la sección transversal de los SiNW en la Fig. 3d, la profundidad de grabado promedio es de aproximadamente 20 μm, que corresponde a la longitud de los SiNW, mientras que el diámetro está en el rango de 20 a 300 nm.

Imágenes SEM de matrices SiNW fabricadas mediante el método de grabado no electrolítico: a Vista de 45 °, b , c vista superior, d sección transversal / vista lateral

Smith et al. [dieciséis]. Cuando el Si se sumerge en HF / Ag ⁺ solución, las nanopartículas de plata se nuclean inmediatamente y crecen rápidamente. Durante la etapa de nucleación inicial, las partículas hemisféricas individuales se aíslan esencialmente en la superficie de Si y crecen de forma independiente. La nucleación y el crecimiento de la plata es un proceso altamente dinámico que permite que la plata se disuelva, vuelva a depositar y / o migre a la superficie a sitios más favorecidos energéticamente. Otro mecanismo integral de formación de SiNW porosos mediante el grabado de obleas de Si en HF / AgNO ₃ fue propuesto por Li et al. [18]. Las estructuras porosas dentro de los SiNW se atribuyeron a la oxidación de Si inducida por nanopartículas de Ag. Se encontró que la mayor concentración de HF era favorable para el crecimiento de SiNW, y la formación de SiNW se vio significativamente afectada por Ag ⁺ concentración de iones.

Li y col. [17] también informó sobre la fabricación de nanocables de silicio poroso (PSiNW) utilizando una solución de grabado de HF / H ₂ O ₂ / AgNO ₃ . En este sistema, el H ₂ O ₂ especie reemplaza a Ag + como oxidante, y las nanopartículas de Ag funcionan como catalizadores durante el grabado. Se encontró una morfología diferente de SiNWs, en la que todo el nanoalambre estaba cubierto por numerosas estructuras porosas. Descubrieron que la porosidad se podía controlar ajustando la concentración de H ₂ O ₂ [17].

En el pasado, se especuló que el grabado asistido por metal es isotrópico y que el metal noble siempre cataliza el grabado a lo largo de la dirección vertical con respecto a la superficie del sustrato [27, 28, 29]. Más tarde, los experimentos revelaron que el grabado era predominantemente anisotrópico, ya que se produjo un grabado no vertical para los sustratos (111) y (110), lo que resultó en SiNW inclinados y alineados [30,31,32]. Este grabado anisotrópico a lo largo de ciertas direcciones cristalográficas preferidas se atribuyó a la teoría de la rotura del enlace inverso [33, 34]. Durante el grabado, es necesario romper los enlaces de retorno del átomo de la superficie que se conecta a los átomos inferiores para que se active la reacción de oxidación y disolución en la superficie. El número de enlaces de retroceso está determinado por la orientación cristalográfica del sustrato [29]. Cada átomo de la superficie del sustrato (100) tiene dos enlaces hacia atrás, mientras que en las superficies (110) y (111), cada átomo tiene tres enlaces hacia atrás. Por lo tanto, la fabricación de SiNW en (100) sustratos es más fácil que en los otros [35].

Composición elemental

La Figura 4 muestra los resultados del análisis EDX de las matrices de SiNW antes y después de la limpieza ultrasónica con solución de agua regia. Los resultados muestran que los elementos contenidos en las muestras son principalmente Si y Ag. La plata se depositó claramente en la punta del alambre, así como en el valle entre los alambres después del proceso de grabado. Como se muestra en la Fig. 4a, se detectó una gran cantidad de plata (aproximadamente 11,04% de Ag). Sin embargo, se obtuvo una composición puramente de Si (100 en% de Si) después de la limpieza en una solución de agua regia (Fig. 4b).

Resultados del análisis EDX de matrices SiNW después de los procesos de grabado: a antes de la limpieza con agua regia (88,96 at.% Si y 11,04 at.% Ag) y b después de la limpieza con agua regia (100,00 at.% Si y 0,00 at.% Ag)

Tamaño y forma de los SiNW

Como se informó anteriormente, la concentración más adecuada de grabador es 0.01 mol / L para AgNO ₃ y 5,0 mol / L para HF. Sin embargo, una de las principales preocupaciones de este método es que los nanoclusters de plata formados tienden a depositarse aleatoriamente sobre la superficie del sustrato de Si. Este fenómeno contribuye a la dificultad de adaptar la uniformidad, alineación, longitud y diámetro de los nanocables fabricados. Además, se encontró que los nanoclusters de plata depositados en la superficie de la oblea de Si tenían varios tamaños y formas, porque las rutas aleatorias para contactar la semilla seleccionada permiten que las partículas se difundan y se adhieran a la estructura formada. Esto llevó a la formación de matrices de SiNW con tamaño y forma no uniformes [5, 12, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 28, 36, 37, 38].

En general, las morfologías de las estructuras de Si grabadas sin electrodos se definen por la forma de los depósitos de catalizador de Ag. Las partículas de Ag bien separadas generalmente dan como resultado poros bien definidos, mientras que las estructuras grabadas pueden evolucionar de los poros a estructuras similares a paredes o alambres cuando las partículas de Ag se depositan en haces [29]. En otras palabras, la actividad catalítica del ion Ag está determinada por las facetas expuestas. Por lo tanto, es razonable que la estructura de nanocables no produzca ni un solo cable individual ni una estructura similar a una pared, sino una mezcla de ambos.

La figura 5 muestra la morfología de los SiNW. El análisis de TEM se realizó en SiNWs previamente retirados del sustrato. Los resultados muestran que el tamaño (diámetro) de los SiNW está en el rango de 20 a 200 nm (Fig. 5a). Se encontraron varias formas de SiNW, incluidas formas redondas (Fig. 5b), formas rectangulares (Fig. 5c) y formas triangulares (Fig. 5d). La variación de forma de los productos de SiNW se debe a la formación no homogénea de depósitos de plata en la superficie del sustrato de Si. El tamaño y la forma de los SiNW podrían controlarse bien controlando la forma geométrica, el tamaño y las posiciones de los cátodos locales (nanoclusters de plata). Esto se puede lograr mediante grabado no electrolítico utilizando una plantilla adecuada, como una monocapa de esferas de poliestireno [39]. Los resultados son similares a la formación de estructuras de panal ordenadas durante la anodización [40, 41].

Imágenes TEM de SiNW sueltos: a paquete de SiNW con varios tamaños y formas, b SiNW de forma redonda, c SiNW de forma rectangular y d SiNW de forma triangular

Propiedades ópticas

La fabricación de SiNWs es una técnica de modificación de la superficie que tiene como objetivo minimizar el reflejo de la luz incidente y aumentar la absorción tanto como sea posible. A partir de las observaciones, los SiNW en el sustrato de Si son de apariencia negra en comparación con la oblea de Si desnuda, que tiene una superficie brillante. La naturaleza antirreflectante de los SiNW ha llamado la atención ya que uno de los principales mecanismos de pérdida de energía de las células solares es la reflexión óptica; la utilización de estas nanoestructuras en dispositivos fotosensibles puede eliminar la necesidad de revestimientos antirreflectantes [5, 19, 20, 28]. Para cuantificar las propiedades ópticas de los SiNW fabricados, se utilizó un espectrofotómetro ultravioleta visible (UV-Vis) para medir la reflectancia de las muestras.

La Figura 6 muestra la variación en la reflectancia ( R ) dependiendo de la longitud de onda ( λ ) de radiación incidente sobre el sustrato de Si y las matrices de SiNW. La medición se obtuvo iluminando muestras con radiación que varía desde la región ultravioleta (UV) hasta la región infrarroja (IR) con longitudes de onda que van desde 200 a 1100 nm. Se ve claramente que la reflectancia de los SiNW es mucho menor que la de su contraparte de obleas de Si desnudo.

Reflectancia ( R ) versus longitud de onda ( λ ) para un sustrato de Si y las matrices de SiNW

Con referencia a la Fig. 6, el espectro de reflectancia de las matrices de SiNW parece bastante estable (curva casi plana) en las regiones visibles a IR cercanas (400-1100 nm). Esto simplemente indica que las matrices SiNW son muy sensibles a la radiación IR visible y cercana. Este rango de longitud de onda (400-1100 nm) es esencial para aplicaciones de dispositivos fotosensibles. La reflectancia promedio de las matrices de SiNW es aproximadamente del 12% en la región visible y del 10% en la región IR. Sin embargo, el sustrato de Si dio una reflectancia media mucho más alta. La reflectancia máxima del sustrato de Si es del 65,1%, que es mucho más alta que la reflectancia máxima de los SiNW (19,2%) en el mismo rango de longitud de onda (cerca de la región UV). Además, la reflectancia mínima de los SiNW es de aproximadamente 3,5% en la región de UV cercano y 9,8% en las regiones de visible a IR cercano. En la Tabla 1 se resume una comparación detallada de la reflectancia en las regiones UV, visible e IR. Los resultados revelan que la modificación de la morfología de la superficie del sustrato de Si para formar SiNW redujo con éxito la pérdida por reflexión de la radiación incidente en un amplio rango espectral. Esta propiedad cumple con los requisitos para la aplicación de SiNW en dispositivos fotosensibles capaces de detectar de manera efectiva la luz incidente.

Los resultados están de acuerdo con los resultados de reflectancia previamente informados [19, 20, 42]. Jia y col. [42] encontró que la reflectancia del Si negro (Si desnudo grabado con diferentes tratamientos posteriores al grabado) es aproximadamente del 10% en todo el espectro visible, así como en las regiones de UV cercano e IR cercano. Además, la reflectancia de una oblea pulida sin recubrimiento antirreflectante varía entre el 30 y el 50% en el mismo rango de longitud de onda [42]. Li y col. [19] informó que el silicio multicristalino nanotexturizado (mc-Si) muestra una excelente capacidad antirreflectante de aproximadamente el 5,6%. Este resultado se obtuvo para una oblea de Si grabada en HF / H ₂ O ₂ / AgNO ₃ en condiciones de fabricación optimizadas. Además, las propiedades antirreflectantes aumentan gradualmente a medida que aumenta la uniformidad de las matrices de nanocables, que disminuye cuando la longitud de los nanocables es demasiado larga, lo que conduce a la aglomeración de los nanocables. Se han informado resultados similares o incluso mejores para los SiNW tratados con KOH para reducir aún más la pérdida de reflectancia. En estas condiciones, se pueden obtener matrices de SiNW a gran escala con una capacidad antirreflectante ultrabaja de ~ 3,4% [20].

Desde hace décadas, la pérdida de reflexión se controlaba mediante el uso de un revestimiento antirreflectante. Sin embargo, estos recubrimientos tienen estructuras resonantes y funcionan eficazmente sólo en un rango espectral limitado y para ángulos de incidencia específicos [28]. Los SiNW son estructuras de relieve de superficie con dimensiones más pequeñas que la longitud de onda de la luz incidente. Las longitudes de onda mayores que el diámetro del nanoalambre atraviesan la muestra y solo son absorbidas por dispersión difusa múltiple. En la región de longitud de onda más larga, la reflexión minimizada se debe a la alta difracción de la luz entre los SiNW [43]. Estos perfiles profundos pueden suprimir la reflexión de Fresnel sustancialmente en un ancho de banda espectral amplio [28]. Además, las matrices de SiNW demuestran una fuerte absorción óptica debido a los efectos de captura de luz y los efectos de la antena óptica, lo que conduce a la supresión de la reflexión óptica [44].

Muchos investigadores han afirmado que los nanocables con morfología diferente a la masa producen un ensanchamiento de la banda prohibida, que se atribuye al amplio espectro de absorción y al rango de transmisión óptica. Al aplicar el método de Kubelka-Munk [K-M o F (R)] [45], la energía de la banda prohibida de la muestra se puede determinar mediante la siguiente ecuación:

$$ F (R) =\ frac {\ left (1- R \ right) 2 \} {2 R} $$

donde R es la reflectancia y F (R) es proporcional al coeficiente de extinción ( α ). En este trabajo, [F (R) * hv ] ⁿ versus la energía del fotón ( hν ) para el sustrato de Si y SiNWs, donde h es la constante de Planck (4.1357 × 10 ⁻¹⁵ eV s), v es la frecuencia de la luz y n es un coeficiente asociado con la transición electrónica (2 para las transiciones directas permitidas y 1/2 para las transiciones indirectas permitidas). Al extender la línea tangencial del degradado más allá de la x -eje, el punto en el que la línea se cruza con la x -eje es la energía de banda prohibida estimada de la muestra.

La Figura 7 muestra las gráficas de (F (R) * hν ) ^1/2 versus energía fotónica ( hν ) para el sustrato de Si y SiNW. Se encontró que la energía de banda prohibida de los SiNWs es ligeramente más alta que la de sus contrapartes de obleas de Si desnudas. La energía de la banda prohibida calculada, E _g , es aproximadamente 1,15 eV para el sustrato de Si y aproximadamente 1,20 eV para los SiNW. Estos resultados están de acuerdo con los de Kurokawa et al. [39]. Este grupo informó que la banda prohibida de las matrices de SiNW era de aproximadamente 1,2 eV, según se obtuvo a partir de las medidas de catodoluminiscencia. El fenómeno de ensanchamiento de la banda prohibida puede explicarse por el efecto de confinamiento cuántico (QC). Según la teoría de CC, la banda prohibida debería aumentar con una disminución del tamaño de la nanoestructura y provocar un desplazamiento hacia el azul [46].

Gráfico de (F (R) * hν ) ^1/2 versus energía fotónica ( hν ) para un sustrato de Si y las matrices de SiNW

Ng y col. [47] informó que el ancho de banda prohibida de los SiNW aumenta con una disminución en el diámetro de la estructura de nanocables. Además, la alta relación área superficial / volumen proporcionó a los SiNW un comportamiento de banda prohibida directa, que se hizo más impresionante a medida que disminuía el diámetro del alambre [48]. Los alambres de Si de diámetro pequeño exhiben una banda prohibida directa. Se obtuvo una banda prohibida de más de 2,5 eV para SiNW con un diámetro de aproximadamente 1 nm, según lo determinado por los cálculos de la teoría funcional de la densidad [48]. Li y Bohn [49] demostraron la fabricación de dispositivos emisores de luz utilizando Si poroso preparado por el método de grabado asistido por metal. Descubrieron que la gran superficie provocaba un cambio en la banda prohibida, así como las propiedades de luminiscencia eficientes de las nanoestructuras porosas [49].

Propiedades eléctricas

Se utilizó microscopía de fuerza atómica (AFM) para caracterizar la topografía de la superficie y las propiedades eléctricas de los SiNW sintetizados. En AFM, se escanea una pequeña sonda a través de la muestra y se recopila información sobre la superficie de la muestra a partir de la interacción de la sonda con la superficie. Los resultados obtenidos son en forma de topografía física y medidas de las propiedades físicas, magnéticas y químicas de la muestra. Las mediciones de AFM se basan en la desviación del voladizo a medida que cambia la topografía de la superficie de la muestra y se varían las fuerzas interatómicas entre la punta de la sonda y la superficie de la muestra.

La operación en modo sin contacto se utilizó para obtener imágenes de topografía de la superficie; sin embargo, se aplicó AFM en modo de contacto para las mediciones eléctricas [22, 23, 50]. En este trabajo, se usó una sonda AFM conductora disponible comercialmente para obtener la corriente versus el voltaje ( I - V ) características y topografía de la superficie de las matrices SiNW. La Figura 8 muestra un diagrama esquemático de la configuración experimental para I - V caracterización. En este experimento, una sonda AFM conductora (punta recubierta de oro, radio de aproximadamente 10 nm, constante de fuerza 40 Nm ⁻¹ , y frecuencia de resonancia de 300 kHz) estaba en contacto con el extremo superior de un SiNW a través de la operación AFM en modo de contacto. Un voltaje en rampa de 0 a 2 V.

Diagrama esquemático de la configuración experimental para la medición eléctrica por AFM

La Figura 9 muestra una imagen SEM de vista superior y una imagen de topografía AFM 2D de las matrices SiNW alineadas verticalmente sobre un área de escaneo de 1,5 μm × 1,5 μm. Se pueden observar nanocables individuales y agrupados. A partir de la imagen de la topografía, se encontró que la rugosidad de la superficie de pico a valle era de 722,7 nm con una rugosidad promedio de 127,4 nm.

Imágenes SEM y AFM de los SiNW alineados verticalmente. AFM eligió un cable en forma de triángulo para la medición eléctrica

La figura 10 muestra el I - V curvas características en varias posiciones de la punta en la parte superior de un SiNW independiente. Las características corresponden a una resistencia, y el nanocable tiene un comportamiento óhmico lineal en todos los puntos para una polarización directa de hasta 2.0 V.En este caso, la profundidad de grabado (longitud del nanocable) es de aproximadamente 722.7 nm, estimada a partir del pico- rugosidad de la superficie del valle (ver imagen AFM en la Fig. 9). La resistencia eléctrica se puede determinar a partir de la pendiente del I - V curvas características en la Fig. 10.

I – V curvas de un SiNW autónomo individual medidas por AFM. Las características corresponden al comportamiento de la resistencia. El recuadro muestra el área de escaneo AFM y las posiciones de la sonda AFM para la medición eléctrica

La resistividad, ρ , se puede obtener de la ley de Ohm:

$$ \ rho =\ frac {RA} {L} $$

donde R es la resistencia, A es el área de contacto correspondiente al área de la punta AFM, y L es la longitud del cable. Utilizando la longitud del cable (722,7 nm) de la imagen de AFM y el radio del vértice de la punta de AFM (aproximadamente 10 nm), se encontró que la resistividad promedio era de 33,94 Ω cm. Para obtener más detalles, consulte la resistencia calculada y la resistividad en la Tabla 2. Este resultado es mucho mayor que la resistividad de SiNW informada por Bauer et al., Donde obtuvieron una resistividad de 0,85 Ω cm para nanocables cultivados por epitaxia de haz molecular en un n + sustrato de silicio [51].

Conclusiones

Las matrices de SiNW se fabricaron con éxito mediante el grabado sin electrodos de una oblea de n-Si (100) en HF / AgNO ₃ . El método de fabricación es un proceso simple, de un solo paso y de bajo costo que no involucra equipos o procedimientos complicados. El tamaño (diámetro) de los SiNW varía de 20 a 200 nm. Se encontraron varias formas de SiNW, incluidas formas redondas, rectangulares y triangulares. Se sugiere que la variación de forma de los SiNW se debe a la nucleación no homogénea de la plata en la superficie del sustrato de Si. A low reflectance of less than 10% was obtained in the near UV region to the near IR region. Thus, it was proven that the SiNWs can be used for antireflection applications over a broad spectral range. The band gap energy of the SiNWs is slightly higher than that of the Si substrate. Contact-mode AFM using a gold-coated tip was successfully applied for the electrical measurement of the SiNWs. The I–V characteristics of a freestanding SiNW show linear ohmic behavior. The average resistivity of a SiNW is approximately 33.94 Ω cm.

Abreviaturas

AFM:: Microscopía de fuerza atómica
AgNO₃ :: Silver nitrate
EDX:: Energy dispersive X-ray
FESEM:: Field-emission scanning electron microscopy
HCl:: Hydrochloric acid
HF:: Hydrofluoric acid
HNO₃ :: Nitric acid
I - V :: Current–voltage
SiNWs:: Silicon nanowires
TEM:: Microscopía electrónica de transmisión

Absorbedor perfecto de banda ultra estrecha y su aplicación como sensor plasmónico en la región visible Ajuste de la química superficial de la polieteretercetona mediante revestimiento de oro y tratamiento con plasma

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias