Efectos del calentamiento asimétrico local en julios en dispositivos basados en nanocables de silicio formados por alineación de dielectroforesis a través de electrodos de pt
Resumen
Demostramos la fabricación y caracterización de dispositivos basados en nanocables de silicio en configuración metal-nanoalambre-metal usando dielectroforesis de corriente continua. Se encontró que las características de corriente-voltaje de los dispositivos se rectificaron, y su dirección de rectificación podría determinarse mediante la dirección de barrido de voltaje debido al efecto de calentamiento asimétrico de Joule que se produjo en el proceso de medición eléctrica. Se investigaron las propiedades fotosensibles de los dispositivos rectificadores. Revela que cuando el dispositivo rectificador estaba en modo de polarización inversa, se logró la excelente fotorrespuesta debido al fuerte campo eléctrico incorporado en la interfaz de unión. Se espera que la rectificación de dispositivos basados en nanocables de silicio a través de este método novedoso y sencillo se pueda aplicar potencialmente a otras aplicaciones, como puertas lógicas y sensores.
Antecedentes
Los nanocables semiconductores (NW) unidimensionales (1D) han atraído mucha atención debido a su alta relación superficie-volumen, efecto de confinamiento cuántico y alta calidad de cristal. Con las propiedades ópticas y eléctricas sintonizables, los Si NW se han incorporado con éxito en células solares [1], diodos emisores de luz [2] y fotodetectores [3].
Se han informado varias técnicas de fabricación para Si NW, y estas se pueden dividir en dos categorías:métodos ascendentes y descendentes. En los métodos ascendentes, los átomos y las moléculas se pueden utilizar como bloques de construcción para las nanoestructuras utilizando la técnica de vapor-líquido-sólido (VLS) [4], epitaxia de haz molecular (MBE) [5] o ablación con láser [6]. Los métodos de arriba hacia abajo que incluyen el grabado profundo de iones reactivos (DRIE) [7, 8] y el grabado químico asistido por metales (MACE) [9, 10] se han introducido para nanoestructuras reduciendo la escala de materiales a granel. Recientemente, se ha propuesto un método fácil y de alto rendimiento para matrices de Si NW de gran área de las mismas dimensiones combinando MACE con litografía de nanoesferas (NSL) [11, 12].
La dielectroforesis (DEP) es uno de los métodos comúnmente utilizados para alinear NW como metal [13], óxidos metálicos [14,15,16,17,18,19], Si [20,21,22], siliciuro [23 ], y semiconductores III – V [24] NW para dispositivos integrados, que normalmente se encontraban en estructuras de metal-semiconductor-metal. En el proceso DEP, los NW dieléctricos son ejercidos por fuerzas DEP a través de dipolos inducidos cuando los NW generalmente están sujetos a un campo eléctrico de corriente alterna (CA) no uniforme y, por lo tanto, pueden alinearse con precisión a través de los electrodos. Los dispositivos fabricados por el método DEP se han investigado ampliamente por sus propiedades eléctricas y se han utilizado para muchas aplicaciones, como puertas lógicas [21] y sensores [14, 16, 17, 18, 19]. Sin embargo, estos dispositivos con características de rectificación de corriente-voltaje (I-V) posiblemente se formarían en la alineación DEP. Harnack y col. [14] propuso que los factores para el comportamiento de rectificación en el dispositivo basado en ZnO NW pueden atribuirse al momento dipolar en nanocristales de ZnO con estructura de wurtzita o las diferentes alturas de barrera Schottky en ambos extremos del NW alineado. Wang y col. [15] identificó además que el origen del comportamiento de rectificación en este caso podría ser los contactos asimétricos ZnO NW / Au, que se generaron con un grado diferente de recocido en los dos lados en la alineación DEP.
Para aplicar Si NW en dispositivos integrados, es esencial comprender el papel de los contactos NW / metal y su efecto sobre las propiedades eléctricas. Aquí, demostramos la fabricación de dispositivos basados en Si NW mediante DEP de corriente continua (CC) e investigamos sistemáticamente los contactos de Si NW homogéneos monocristalinizados con electrodos de Pt. Después de una investigación de las propiedades eléctricas de estos dispositivos, encontramos que sus características I-V mostraban un comportamiento rectificador y propiedades de fotosensibilidad únicas.
Experimental
Para el método de fabricación de Si NWs, MACE combinado con NSL, reportado en otro lugar [11, 12], se cortó un Si de tipo n (100) con resistividad que variaba de 1 a 10 Ω cm en 1 × 1 cm 2 piezas. Los sustratos se limpiaron utilizando los procedimientos estándar de Radio Corporation of America (RCA) y se hicieron hidrófilos después de sumergirlos en una solución de Piranha hirviendo, una mezcla de H 2 O 2 con H 2 SO 4 en una proporción de 1:3, durante 10 min. Se formó una monocapa compacta de esferas de poliestireno (PS) con un diámetro promedio de 220 nm sobre los sustratos mediante un método de recubrimiento por inmersión modificado [25] y posteriormente se redujo el tamaño de la esfera en O 2 plasma. Se depositó una película fina de Ag pulverizada catódica de 20 nm de espesor sobre los sustratos modelados. Las muestras se grabaron con una solución de mezcla de HF, H 2 O 2 y agua desionizada (HF =5 M y H 2 O 2 =0,176 M) a 25 ° C durante 15 min. Se obtuvieron matrices de Si NW ordenadas de gran área después de eliminar las esferas de PS residuales y la película delgada de Ag con tetrahidrofurano (THF) y HNO 3 solución, respectivamente. Los productos sintetizados se caracterizaron por microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM, JEOL, JSM-6700F) y microscopio electrónico de transmisión de alta solución (HRTEM, JEOL, JEM-2100F).
Para estudiar el transporte eléctrico y las propiedades de fotosensibilidad de los Si NW, se fabricaron dispositivos basados en Si NW de la siguiente manera. Las estructuras de los electrodos se fabricaron sobre el sustrato de Si (100) de tipo n altamente dopado (0,001-0,006 Ω cm) con óxido de Si de 360 nm de espesor mediante litografía tradicional. El material del electrodo se evaporó térmicamente Pt (40 nm) / titanio (15 nm) en la parte superior. El espacio entre los electrodos es de aproximadamente 2 μm. Las matrices de Si NW recién grabadas se retiraron del sustrato mediante 5 min de sonicación y se dispersaron en una solución de alcohol isopropílico (IPA). Como se muestra en la Fig. 1, se dejó caer una gota de suspensión de Si NW sobre los electrodos metálicos predefinidos aplicados por campo eléctrico de CC. En el proceso de alineación, el electrodo fuente se conectó al nivel del suelo mientras que el de drenaje se polarizó positiva o negativamente como se muestra en la Fig. 1.
Esquemas de la alineación Si NW por DC-DEP a través de electrodos de Pt. El electrodo de drenaje se polarizó positiva y negativamente como se muestra en a y b , respectivamente. El electrodo fuente estaba conectado al nivel del suelo
Las propiedades de transporte eléctrico de los dispositivos basados en Si NW se llevaron a cabo mediante la estación de sonda utilizando un medidor de fuente del sistema (Keithley 2612A). Una luz blanca de banda ancha con una intensidad de 825 mW / cm 2 de una lámpara de arco Hg-Xe se mostró verticalmente en los dispositivos, y se registraron las características de fotorrespuesta correspondientes.
Resultados y discusión
Las figuras 2a, b muestran la vista en planta y las imágenes SEM en sección transversal, respectivamente, de las matrices Si NW a través de MACE combinadas con NSL. Los Si NW con geometría uniforme tienen diámetros entre 150 y 200 nm y longitudes entre 5 y 6 um. La Figura 2c muestra la imagen TEM de un Si NW individual, que es una estructura monocristalina y tiene la dirección de grabado preferencial de [100] confirmada por la imagen reticular clara que se muestra en la Fig. 2d.
un Vista superior y b Imágenes SEM transversales de matrices Si NW fabricadas por MACE combinadas con NSL. c Imagen TEM de Si NW sintetizado. d La imagen TEM de resolución atómica de Si NW sintetizado corresponde al cuadrado rojo en c . El recuadro son los patrones SAD de Si NW
Con el fin de estudiar el transporte eléctrico de Si NW, se fabricaron dispositivos basados en nanocables de silicio en estructuras de metal-nanoalambre-metal aplicando + 0,5 V CC al electrodo de drenaje en el proceso de alineación DEP. La vista superior de la alineación de Si NW a través de los electrodos de Pt se puede ver claramente en la imagen SEM, como se muestra en la Fig. 3, donde los Si NW son paralelos entre sí. La densidad de los Si NW alineados se puede controlar mediante la concentración de NW en la solución de IPA. Se utilizaron dos métodos diferentes para medir las propiedades eléctricas de los dispositivos. Para la medición del método 1, las curvas I-V se midieron a medida que se aplicaba el voltaje al electrodo de drenaje mediante un barrido de positivo a negativo. Para la medición del método 2, las curvas I-V se midieron a medida que se aplicaba el voltaje al electrodo de drenaje mediante un barrido de negativo a positivo. Sorprendentemente, los dispositivos tienen un comportamiento de rectificación y la dirección de rectificación podría determinarse mediante una dirección de barrido de voltaje como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S1. Para comprender este fenómeno, las curvas I-V se midieron aplicando diferentes rangos de voltaje de barrido al electrodo de drenaje de los dispositivos. La tasa de barrido se muestra en la Fig. 4. La Figura 5a muestra que las curvas IV se midieron cuando se aplicó el voltaje al electrodo de drenaje mediante el barrido de + 1 a - 1 V, + 2 a - 2 V y + 3 a - 3 V en secuencia, como se ilustra en el recuadro de la Fig. 5a. Muestra un comportamiento de rectificación más obvio ya que el dispositivo se midió en el amplio rango de voltaje. En la Fig. 5b, la curva roja I-V se midió adicionalmente cuando se aplicó el voltaje al electrodo de drenaje mediante un barrido de + 1 a -1 V por segunda vez. La corriente directa fue de 9,2 nA a 0,75 V; la corriente inversa fue de alrededor de 0,044 nA. La relación de corriente de encendido a apagado es de aproximadamente 200. Se descubrió que el dispositivo se volvió más rectificador en comparación con la curva negra IV, que se midió anteriormente en el mismo rango de voltaje que se muestra en la Fig. 5a con el indicador de encendido y apagado ratio corriente de 7,7. La curva IV rectificadora opuesta también se puede producir cuando el voltaje se aplicó al electrodo de drenaje barriendo de - 0.5 a + 0.5 V, - 1 a + 1 V, y - 2 a + 2 V en secuencia, como se ilustra en la recuadro de la Fig. 5c. También muestra un comportamiento de rectificación más obvio en el rango de voltaje de barrido más grande que se muestra en la Fig. 5c. En la Fig. 5d, la curva roja I-V se midió adicionalmente cuando se aplicó el voltaje al electrodo de drenaje mediante un barrido de - 0,5 a + 0,5 V por segunda vez. La transición del comportamiento no rectificador a rectificador se puede observar en comparación con la curva negra I-V, que se midió anteriormente en el mismo rango de voltaje que se muestra en la Fig. 5c. Las curvas características I-V anteriores sugieren que los comportamientos de rectificación en los dispositivos basados en Si NW se produjeron en el proceso de medición eléctrica en lugar de la alineación DEP. Además, también se encontró que la dirección de rectificación se puede determinar mediante la dirección de barrido de voltaje. Después de la transición de no rectificar a rectificar, el dispositivo tenía la misma dirección de rectificación sin importar cuál fuera la dirección de barrido de voltaje.
Imagen SEM de Si NW alineados en paralelo a través de electrodos de Pt. Se aplicó un voltaje de + 0.5 V CC al drenaje en la alineación DC-DEP
La tasa de barrido de voltaje para el electrodo de drenaje al pasar de polarización negativa a positiva (línea negra) y de polarización positiva a negativa (línea roja)
Propiedades eléctricas de los Si NW paralelos a través de electrodos de Pt. un Curvas I-V de los Si NW paralelos cuando se aplicó un voltaje al electrodo de drenaje mediante un barrido de polarización positiva a negativa, como se muestra en el recuadro. Hay 24 NW paralelos a través de electrodos de Pt. b Las curvas I-V medidas en el primer barrido (línea negra) y segundo barrido (línea roja) de + 1 a - 1 V. c Curvas I-V de los Si NW en paralelo cuando se aplicó un voltaje al electrodo de drenaje mediante un barrido de polarización negativa a positiva, como se muestra en el recuadro. Hay 18 NW paralelos a través de electrodos de Pt. d Las curvas I-V medidas en el primer barrido (línea negra) y el segundo barrido (línea roja) de - 0,5 a + 0,5 V
Además, la curva I-V en zigzag se puede ver claramente cuando se aplicó el voltaje al electrodo de drenaje mediante un barrido de + 3 a - 3 V y - 2 a + 2 V, como se muestra en las Fig. 5a, c, respectivamente. Este fenómeno puede explicarse por los efectos asimétricos de calentamiento de Joule, que se originan a partir de las corrientes eléctricas que fluyen a través de Si NW a medida que aumenta el voltaje aplicado a través de los electrodos de Pt. Los efectos asimétricos de calentamiento de Joule se producen por la distribución desigual de la temperatura entre los electrodos, y la temperatura en la región del ánodo es más alta que la región del cátodo [26]. Para la medición de la curva I-V, la corriente a 3 V de voltaje aplicado es de varios a cientos de nanoamperios como se muestra en la Fig. 5 y Archivo adicional 1:Figura S1, que es mucho más pequeña que la de la ref. [26]. Sin embargo, el diámetro de Si NWs es de aproximadamente 100 nm, que es mucho más pequeño que el ancho del canal del dispositivo en la ref. [26]. Además, debido a que los nanocables se acaban de adsorber en los electrodos mediante el método de alineación DEP, el área de contacto puede ser mucho más pequeña que la sección transversal de los nanocables. Por tanto, la densidad de corriente en los contactos del electrodo NW puede ser lo suficientemente alta como para provocar un calentamiento Joule. Esto también se puede ver después de que se aplicaron + 3 y - 3 V CC al electrodo de drenaje para la alineación DEP de Si NW como se muestra en la Fig. 6a, b, respectivamente. Ambas cifras indican que las regiones del ánodo fueron severamente destruidas por el derretimiento en comparación con las regiones del cátodo.
un Imagen SEM del dispositivo basado en Si NW después de que se aplicó un voltaje de + 3 V CC al electrodo de drenaje para la alineación Si NW. b Imagen SEM del dispositivo basado en Si NW después de que se aplicó un voltaje de - 3 V CC al electrodo de drenaje para la alineación Si NW. Las líneas de trazos blancos muestran el borde del electrodo antes del proceso de alineación DEP
Cuando se midieron las curvas I-V del dispositivo en atmósfera reductora (H 2 / Ar), la propiedad de rectificación no se obtuvo mediante el barrido en el rango de voltaje grande (de - 3 a 3 V) como se muestra en el archivo adicional 2:Figura S2 (a). La curva I-V es simétrica y casi lineal, lo que indica solo una pequeña barrera en la interfaz entre el nanoalambre y dos electrodos. Sin embargo, el Pt y el n-Si teóricamente pueden formar una barrera Schottky en el contacto de Si de tipo Pt / n, ya que la función de trabajo de Pt (~ 6.1 eV) es mayor que el Si de tipo n (~ 4.15 eV). En este estudio, los nanocables simplemente se adsorben en los electrodos mediante el método de alineación DEP. Por tanto, el cambio de la altura de la barrera puede deberse a la adsorción de gas en la superficie de Si. Después de barrer en el rango de voltaje grande, la pendiente de la curva I-V aumentó como se muestra en el archivo adicional 2:Figura S2 (b), que indica que una medición de barrido de rango de voltaje grande en gas reductor puede reducir la resistencia en ambos contactos de electrodo NW. Sin embargo, el aire que contiene O 2 y H 2 O es una atmósfera oxidativa. En el aire, la tasa de oxidación del Si es más alta a alta temperatura en comparación con la de baja temperatura. Por lo tanto, podemos inferir que para la medición de barrido de rango de voltaje grande en el aire, el aumento de la altura de la barrera en la región del ánodo se debe a la formación de un SiO oxidado delgado x capa en la interfaz, que exhibe sitios de atrapamiento de electrones.
La Figura 7 muestra los diagramas de bandas de energía esquemáticos para el dispositivo basado en Si NW antes y después de los tratamientos de calentamiento asimétrico Joule. Inicialmente, el Pt y el n-Si forman pequeñas alturas de barrera iguales en ambos extremos de los NW después de la alineación DEP. Cuando el voltaje se aplicó al electrodo de drenaje mediante un barrido de positivo a negativo (en el método 1) o de negativo a positivo (en el método 2), la altura de la barrera en el lado del ánodo de alta temperatura se sintonizaría simultáneamente debido al Joule asimétrico. efectos de calentamiento. En otras palabras, la altura de la barrera aumentaría y dominaría el comportamiento rectificador del dispositivo como deducimos de las características rectificadoras I-V mostradas en la Fig. 5.
Diagramas esquemáticos de bandas de energía para contactos de tipo n Si / Pt después de la alineación DC-DEP (centro superior). El dispositivo pasó por el proceso de calentamiento asimétrico de Joule cuando el voltaje se aplicó al electrodo de drenaje mediante el barrido de polarización positiva a negativa en el método 1 (izquierda) o de polarización negativa a positiva en el método 2 (derecha)
Para investigar las propiedades fotosensibles del dispositivo rectificador basado en Si NW en este caso, se utilizó una luz blanca de banda ancha con una intensidad de 825 mW / cm 2 se mostró verticalmente en el dispositivo mientras se registraron las características de fotorrespuesta correspondientes, como se muestra en la Fig. 8a. La Figura 8b muestra las curvas I-V de este dispositivo bajo irradiación de luz blanca oscura (curva negra) y de banda ancha (curva roja). Revela que se podría inducir la fotocorriente y que se logró una mayor sensibilidad cuando el dispositivo exhibía las características I-V inversas que se muestran en el recuadro de la Fig. 8b. El comportamiento de la fotorrespuesta dependiente del tiempo se investigó cuando el dispositivo se expuso a la luz blanca al encenderlo y apagarlo. Como se muestra en la Fig. 8c, donde el dispositivo estaba bajo una excitación de luz blanca a + 0,75 V en modo de polarización directa, la corriente aumentó de 20 a 35 nA en 15 s, lo que se mejora solo en un 75%. Cuando se apagó la luz blanca, la corriente disminuyó al valor inicial en 30 s. Por otro lado, cuando el dispositivo estaba bajo una excitación de luz blanca a - 0,75 V en modo de polarización inversa, como se muestra en la Fig.8d, la corriente aumentó abruptamente de 40 a 430 pA en 64 ms, que es hasta 13 veces más grande que el dispositivo en modo de polarización directa. Además, la tasa de recuperación más alta se puede observar a medida que la corriente disminuyó al valor inicial desde el estado de saturación en solo 48 ms en el momento en que la luz blanca estaba apagada.
un Esquema de un sensor basado en Si NW bajo iluminación de luz blanca con una intensidad de 825 mW / cm 2 . b Curvas I-V de un sensor basado en Si NW bajo iluminación de luz blanca y oscura. El recuadro muestra las propiedades I-V correspondientes en una escala semilogarítmica. c Fotorrespuesta resuelta en el tiempo de un sensor basado en Si NW a + 0,75 V en modo de polarización directa bajo iluminación de luz blanca encendiendo y apagando. d Fotorrespuesta resuelta en el tiempo de un sensor basado en Si NW a - 0,75 V en modo de polarización inversa bajo iluminación de luz blanca al encender y apagar. El dispositivo preparado era el mismo que para realizar la medición de las propiedades de transporte eléctrico en la Fig. 5a, b
En términos del rendimiento de la fotorrespuesta, la discrepancia de estos resultados anteriores se puede explicar de la siguiente manera. Cuando el dispositivo está en modo de polarización directa, el ancho de la región de agotamiento disminuye y mejora el flujo de corriente que conduce a una menor sensibilidad a la luz blanca. Sin embargo, el dispositivo en modo de polarización inversa, por el contrario, tiene la región de agotamiento más grande donde existe el fuerte campo eléctrico incorporado. Los electrones y huecos fotogenerados se pueden separar de manera eficiente y reducir las tasas de recombinación de electrones y huecos bajo la iluminación de luz blanca, lo que da como resultado un aumento abrupto de la densidad de portadores libres. Por lo tanto, los dispositivos rectificadores tienen una propiedad de tasa de respuesta alta. Sin embargo, en estudios previos [27, 28], los dispositivos rectificadores con un electrodo de contacto óhmico y el otro electrodo de contacto Schottky se fabricaron seleccionando varios materiales de electrodo. En este estudio, se utilizó un proceso de fabricación sencillo. El comportamiento rectificador de los dispositivos NW formados por alineación de dielectroforesis se obtuvo solo por calentamiento asimétrico de Joule en el proceso de medición eléctrica.
Conclusiones
En resumen, los dispositivos basados en Si NW se fabricaron alineando los Si NW monocristalizados a través de los electrodos de Pt utilizando el método DC-DEP. Se pueden obtener las características de rectificación I-V de estos dispositivos, y la dirección de rectificación se puede determinar mediante la dirección de barrido de voltaje. Este fenómeno puede estar asociado con los efectos asimétricos de calentamiento de Joule que se producen en el proceso de medición eléctrica. La alta velocidad y la alta fotorrespuesta se pueden lograr para los dispositivos rectificadores en modo de polarización inversa debido a la separación eficiente de los huecos de electrones mediante un fuerte campo eléctrico incorporado en la región de agotamiento. Este dispositivo rectificador basado en Si NW se puede usar potencialmente para fotodetectores y otras aplicaciones como puertas lógicas o sensores.
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