Comportamiento fotoeléctrico dependiente del tamaño en nanohilos de silicio individuales

Resumen

Arrays ordenados periódicamente de nanohilos Si (Si NWs) alineados verticalmente fabricados con diámetros y longitudes controlables. Propiedades fotoconductivas investigadas por microscopía de fuerza atómica fotoconductiva (PCAFM) en nanohilos individuales. Resultados: fotocorriente Si NWs aumenta significativamente con intensidad láser, indicando buena fotoconductancia y capacidad fotorrespuesta. Foto-conductancia mejorada atribuida a cambio barrera Schottky fotoinducido, confirmado análisis curvas I-V. Por otro lado, resultados microscopía fuerza electrostática (EFM) indican gran número cargas fotogeneradas atrapadas Si NWs bajo irradiación láser, reduciendo altura barrera. Estudada dependencia tamaño propiedades fotoconductivas en Si NWs diferentes diámetros y longitudes. Magnitud aumento fotocorriente con intensidad láser muy relevante a diámetro y longitud nanohilos. Si NWs diámetros menores y longitudes cortas muestran mejores propiedades fotoconductivas, concordando con variación altura barrera dependiente tamaño inducida por cargas fotogeneradas. Con diámetro y longitud optimizados, grandes propiedades fotoeléctricas logradas Si NWs. Estudio investiga sistemáticamente propiedades fotoeléctricas nanohilos Si individuales por PCAFM y EFM, proporcionando información importante optimización nanoestructuras aplicaciones prácticas.

Introducción

Nanohilos silicio (Si NWs) gran atención años recientes por propiedades únicas y compatibilidad tecnología silicio tradicional. Si NWs demostrados variedad aplicaciones: circuitos lógicos integrados, celdas solares, dispositivos termoeléctricos, biosensores. Particularmente, arreglo altamente ordenado Si NWs mejora absorción luz y recolección carga, posible alta eficiencia celdas solares y fotodetectores. Décadas pasadas: crecimiento controlado arrays nanohilos ordenados y fabricación óptima dispositivos fotovoltaicos (FV) investigados intensamente. Por el contrario, menos estudios fundamentales características fotoeléctricas tales arrays Si NWs, especialmente nanohilos individuales dentro arrays.

Para realizar aplicaciones arrays nanohilos ordenados celdas solares y dispositivos FV, extremadamente importante entender propiedades fotoconductivas. Hoy propiedades fotoconductivas arrays nanohilos investigadas métodos macroscópicos con deposición electrodos dos lados bajo irradiación luz. Para análisis más preciso, necesario propiedades nanohilos individuales/singulares no resultados promediados. Además estudios dispositivos nanohilo único (difícil fabricar), mediciones eléctricas basadas microscopía sonda barrido (SPM) reveladas técnicas poderosas caracterización eléctrica nanoescala. Entre técnicas SPM, microscopía fuerza atómica conductiva (CAFM) aplicada a menudo estudiar propiedades conductoras nanoestructuras individuales: películas, heterostructuras, nanohilos. Combinando irradiación láser, modificado como microscopía fuerza atómica fotoconductiva (PCAFM) para investigar propiedades fotoconductivas nanoestructuras individuales. Años recientes, PCAFT empleado mediciones fotocorriente celdas solares orgánicas e inorgánicas, nanoestructuras: películas Si microcristalino, heterostructuras CdS, películas MoS₂, nanohilos ZnO. La mayoría estudios enfocados influencia irradiación láser potencias/longitudes onda variables, pocos investigaciones efecto tamaño nanohilos.

Para lograr arrays Si NWs excelentes propiedades fotoconductivas, necesario obtener dependencia tamaño optimización diámetro/longitud. Décadas recientes: esfuerzos revelar dependencia tamaño propiedades fotoconductivas métodos macroscópicos o dispositivos nanohilo único. Dependencia longitud: muchos encontraron fotocorriente aumenta con longitud nanohilo bajo valor específico (1–18 μm) y luego disminuye al aumentar longitud; otro estudio: fotoconductancia aumenta sublinealmente con longitud decreciente. Resultados dependencia diámetro inconsistentes: Kim et al. fotoconductancia nanohilos Ge intrínsecos aumentaba diámetro decreciente; otros trabajos nanohilos GaN: fotocorriente aumentaba diámetro creciente. Dependencia tamaño propiedades fotoconductivas nanohilos lejos entendimiento común bueno.

Este trabajo: arrays ordenados Si NWs verticales con diámetros/longitudes controlables fabricados nanolitografía esferas (NSL) combinado grabado químico asistido metal (MACE), como estudios previos. Propiedades fotoconductivas investigadas PCAFM sin nanofabricación adicional. Resultados: fotocorriente nanohilos Si individuales aumenta grandemente con intensidad láser, magnitud aumento obviamente relacionada tamaño nanohilos. Si NWs diámetros menores y longitudes cortas más fotoconductivos. Medidas EFM combinado irradiación láser proporcionaron información cargas fotogeneradas y modificación altura barrera, explicando foto-conductancia mejorada dependiente tamaño Si NWs. Estudio no solo revela propiedades fotoeléctricas dependientes tamaño Si NWs sino sugiere PCAFM y EFM herramientas efectivas investigar propiedades fotoeléctricas nanoestructuras individuales y explorar dependencia tamaño (u otros parámetros).

Materiales y métodos

Materiales

Obleas Si compradas MTI (China). Agua desionizada (DI, 18,2 MΩ cm) sistema ultrafiltración (Milli-Q, Millipore). Acetona, metanol, ácido sulfúrico, peróxido hidrógeno, ácido fluorhídrico Sinopharm Chemical Reagent (China). Suspensiones esferas poliestireno (PS, 2,5% peso agua, 490 nm diámetro) Duke Scientific (USA).

Fabricación y caracterización Si NWs

Arrays nanohilos silicio verticales ordenados fabricados NSL y MACE (estudios previos). Procesos principales: 1) Esferas PS autoensambladas oblea Si limpiada químicamente (tipo n, 0,01–0,02 Ω cm). 2) Diámetro esferas PS reducido grabado iones reactivos (RIE, Trion Technology) (50 W, 70 mTorr) valor deseado, monocapa PS diámetro reducido actúa máscara siguientes procedimientos. 3) Deposición película Au 20 nm sputtering iónico catalizador siguiente MACE. 4) Muestra sumergida solución mezclada HF (40%) y H₂O₂ (30%) ratio volumen 4:1 proceso MACE → nanohilos Si alineados verticalmente producidos. 5) Capa Au restante y esferas PS eliminadas remojo solución KI/I₂ mezclada y tetrahidrofurano respectivamente. Morfología cada paso verificada SEM (SIGMA300). Imágenes SEM típicas monocapa PS autoensamblada original, monocapa PS diámetro reducido, Si NWs fabricados tras eliminar Au y PS (Fig. 1a-c). Arrays ordenados Si NWs verticales logrados gran escala. Ajustando tiempos RIE y MACE, diámetro y longitud nanohilos controlables.

Composición nanohilos medida espectroscopía rayos X dispersiva energía (EDX, OXFORD, Aztec X-Max 80). Espectro EDX típico nanohilos Si tras inmersión HF (Fig. 1d). Nanohilos dominados silicio (~95,6%) salvo trazas oxígeno (4,4%). Confirmación: mediciones EDX repetidas muchas veces diferentes áreas muestra, resultados concordantes, concentración oxígeno 0–7,2%. Nanohilos Si fabricados puros libres impurezas, salvo ligera oxidación superficie. Resultados concuerdan estudios previos HRTEM/EDX: nanohilos Si MACE mantienen estructuras cristalinas, solo capa amorfa delgada observada pared nanohilos. Capa delgada SiO₂ formada superficie nanohilo poroso, sin otras impurezas detectadas superficie.

Medidas fotoeléctricas nanohilos Si individuales equipo SPM comercial (Multimode V, Bruker Nano Surfaces), diagramado Fig. 1e. PCAFM: punta conductiva escanea superficie modo contacto con voltaje sesgo entre sustrato y punta conectada tierra, corriente resultante medida. Irradiación láser introducida cabeza SPM fibra 400 μm. Láser diodo 405 nm intensidad ajustable (DPSS Lasers, MDL-III) enfocado sustrato, área punto láser ~1 mm² bajo punta recubierta Pt/Cr. Para mediciones corriente estables cada intensidad láser: espera pocos minutos antes mediciones reducir estado inestable por cambio intensidad láser. Necesario >10 min completar cada imagen corriente. Completar medición corriente diferentes intensidades láser antes nanohilos oxidados seriamente: intensidades láser intervalo grande (2 W/cm²) variaron 0–8 W/cm². Imágenes corriente fotoconductiva y curvas I-V medidas nanohilos individuales diferentes irradiaciones láser. EFM: topografía muestra y desplazamiento fase inducido fuerza eléctrica registrados modo dos pasadas. Primera pasada: imagen topografía modo golpeteo. Segunda pasada levantada (punta levantada suficiente despreciar desplazamiento fase inducido fuerza van der Waals), sesgo DC aplicado punta-muestra, señal desplazamiento fase determinada gradiente fuerza eléctrica detectada. Principios operación detallados estudios previos. Puntas recubiertas Pt/Cr (Multi75E-G, Budget Sensors, radio ~25 nm) usadas todas mediciones eléctricas, experimentos ambiente N₂ flujo. Cada muestra pre-sumergida solución HF (5%) 30 s eliminar capa óxido superficie, lavada agua desionizada flujo ≥5 min sin HF residual, salvo superficie Si pasivada hidrógeno protege re-oxidación y mantiene características semiconductor ~60 min. Tras inmersión HF muestra medida inmediatamente reducir influencia capa óxido caracterización eléctrica posible.

Resultados y discusión

Medidas propiedad fotoconductiva nanohilos Si individuales

Combinando irradiación láser, propiedades fotoconductivas Si NWs investigadas PCAFM función intensidad láser. Imágenes corriente típicas Si NWs diámetro 190 nm longitud 800 nm diferentes irradiaciones láser sesgo muestra −1,5 V (Fig. 2b-f), imagen topografía Fig. 2a. Punta cuña ángulo grande imposibilita alcanzar fondo, imágenes modo contacto → nanohilos observados algo distorsionados, solo corriente lado superior medible. De todos modos, distribución corriente nanohilos individuales claramente observable imágenes corriente. Imagen sin irradiación láser (Fig. 2b): Si NWs exhiben conductancia ligeramente mejor bordes que centro, atribuido mayor área contacto lateral punta-nanohilo. Bajo irradiación láser, corriente Si NWs aumenta obviamente con intensidad láser (Fig. 2c,d), área conductiva nanohilos aumenta correspondientemente. Relación distinta fotocorriente-intensidad láser: corrientes promedio Si NWs calculadas sobre todos nanohilos mapas corriente, presentadas Fig. 2g función intensidad láser. Corriente promedio ~duplica (85 a 146 pA) intensidad láser 0 a 8 W/cm², indicando más portadores generados irradiación láser.

Estudios previos: fotorrespuesta describe capacidad respuesta fotodetectores, definida: R = (I_L - I_D)/q / (P_inc/hν) (Ec. 1), donde I_L, I_D corrientes con/sin láser; P_inc producto densidad potencia láser incidente dividido área efectiva contacto punta-muestra; q carga elemental; hν energía fotón. Caso nuestro: área contacto efectiva ~2×10⁻¹¹ cm² (radio punta 25 nm), fotorrespuesta Si NWs ~2,3 intensidad láser 2 W/cm², indicando excelente capacidad foto-mejora. Fig. 2h: fotorrespuesta función intensidad láser. Fotorrespuesta disminuye aumentando intensidad láser pero todos valores >1. Resultados demuestran irradiación láser mejora grandemente conductancia Si NWs, sugiriendo prometedoras aplicaciones fotodetectores.

Investigar dependencia tamaño propiedades fotoconductivas: mediciones fotocorriente Si NWs diferentes diámetros y longitudes. Imágenes corriente típicas Si NWs misma longitud 350 nm diferentes diámetros 190–350 nm (Material Suplementario Fig. S1) 0, 4, 8 W/cm² irradiación láser mismo sesgo −1,5 V. Corrientes promedio Si NWs calculadas sobre todos nanohilos imágenes corriente presentadas Fig. 3a función intensidad láser. Conductancia Si NWs todos diámetros aumenta obviamente intensidad láser aumentada. Misma intensidad láser, valores corriente absolutos aumentan significativamente diámetro disminuye 350 a 190 nm. Si NWs diámetros menores más conductivos mayores. Fotorrespuesta promediada intensidades láser presentada Fig. 3b diferentes diámetros. Fotorrespuesta disminuye diámetro aumentado → Si NWs diámetros menores mejor capacidad fotorrespuesta. Fotocorriente (I_L - I_D) intensidad láser 8 W/cm² diferentes diámetros Fig. 3c. Claramente: fotocorriente disminuye diámetro aumenta → Si NWs diámetros menores mejor fotoconductancia.

Medidas similares Si NWs mismo diámetro diferentes longitudes. Resultados nanohilos diámetro 190 nm longitudes 350–960 nm (Material Suplementario Fig. S2). Corrientes promedio nanohilos diferentes longitudes Fig. 3d. Aumentada intensidad láser, todos nanohilos exhiben aumento obvio conductancia, Si NWs más cortos mayor conductancia rango intensidad láser hasta 8 W/cm². Fotorrespuesta y fotocorriente función longitud nanohilos intensidad láser 8 W/cm² Fig. 3e,f. Longitud 350–960 nm: fotorrespuesta no muestra dependencia longitud obvia, fotocorriente disminuye grandemente longitud aumenta.

Análisis curvas I-V y altura barrera Schottky dependiente tamaño

Trabajo previo: mediciones CAFM Si NWs, resistencia contacto punta-nanohilo considerada enfáticamente, barrera Schottky papel importante. Investigar papel barrera Schottky fotoconductancia y efecto irradiación láser altura barrera, curvas corriente-voltaje (I-V) registradas nanohilos Si individuales. Curvas I-V típicas Si NWs diámetro 190 nm longitud 800 nm diferentes irradiaciones láser (Fig. 4a). Todas curvas I-V exhiben característica I-V típica contacto metal-semiconductor tipo n, indicando efecto capa oxígeno conductancia no serio ignorado discusión siguiente. Observado: aumenta intensidad láser, corriente Si NWs aumenta obviamente. Mejora ~3 veces intensidad láser 0 a 8 W/cm² sesgo -1,5 V, consistente resultados imágenes corriente. Análisis cuantitativo: modelo emisión termiónica conocido contacto metal-semiconductor adoptado. Modelo: características I-V contacto Schottky semiconductor tipo n presencia resistencia serie aproximadas: I = I_S [exp(q(V - I R_S)/n kT) - 1] (Ec. 2), n factor ideal, R_S resistencia serie. I_S corriente saturación: I_S = A A* T² exp(-φ_B/kT) (Ec. 3), A área contacto, A* constante Richardson, φ_B altura barrera Schottky (SBH) punta metal-nanohilo Si. SBH obtenida fórmula: φ_B = kT ln(A A* T² / I_S) (Ec. 4).

Curvas I-V Fig. 4a ajustadas bien Ec. (2). Obtener valores SBH corriente saturación: constante Richardson efectiva A* asumida ≈ silicio bulk, 112 A cm⁻² K⁻² silicio tipo n. Área contacto asumida 2×10⁻¹¹ cm² (radio punta Cr/Pt 25 nm). Valores SBH: ~474, 453, 437, 429, 416 meV intensidades láser 0, 2, 4, 6, 8 W/cm² (Fig. 4b). SBH disminuye significativamente intensidad láser → principal contribuyente foto-conductancia mejorada. Dependencia SBH diámetro y longitud nanohilos misma intensidad láser Fig. 4c,d. Si NWs diámetros menores y longitudes cortas tienen menores valores SBH → mejor fotoconductancia tales nanohilos. Dependencia diámetro/longitud SBH diferentes irradiaciones láser (Material Suplementario Fig. S3) apoya conclusión. Todos valores SBH medidos Si NWs diferentes diámetros/longitudes menores bulk Si (~600 meV) y disminuyen más intensidad láser aumentada → Si NWs logran prometedoras propiedades fotoconductivas aplicaciones potenciales.

Conclusión: propiedades fotoconductivas Si NWs fuertemente dependen diámetros y longitudes: Si NWs diámetros menores y longitudes cortas exhiben mejor fotoconductancia, atribuido SBH dependiente tamaño revelado ajuste curvas I-V. Mecanismo exacto dependencia tamaño SBH no claro aún. Puede relacionarse estados interfase y/o estructura desordenada capa externa rugosa. Estudios previos: estados interfase cargados reducen efectivamente SBH. Ejemplo: Yoon et al. supusieron transferencia portadores inducida estados interfase formaría dos capas cargadas opuestas (estados superficie cargados negativamente e igual número cargas positivas), generando campo eléctrico contrario campo incorporado, resultando reducción efectiva SBH fuertemente dependiente diámetro nanohilos. Modelado elementos finitos tratando nanohilo capacitor coaxial cilíndrico: magnitud reducción barrera aumenta diámetro nanohilo disminuye. Caso nuestro: superficie rugosa nanohilos MACE, contacto punta metal → gran densidad estados interfase generados reducen altura barrera adoptando visión anterior. Densidad estados superficie aumenta diámetro nanohilo disminuye → menores SBH nanohilos diámetros menores. Si NWs diámetros menores exhiben mayor conductancia. SBH disminuye intensidad láser todos diámetros → Si NWs diámetros menores mayor fotoconductancia.

Razón valores SBH dependencia longitud no interpretable esta visión. Nanohilos más largos requieren más tiempo MACE → más desorden/rugosidad superficie. Diferentes cambios microestructuras superficie introducen diferentes cambios valores SBH, necesitan investigaciones adicionales. Sea cual sea origen dependencia tamaño propiedades fotoconductivas, reducción SBH dependiente tamaño resulta mayor conductancia/fotoconductancia, beneficioso aplicaciones prácticas.

Cargas fotogeneradas atrapadas y modificación altura barrera

Verificar resultados SBH Si NWs PCAFM, imágenes EFM medidas Si NWs diferentes irradiaciones láser (Fig. 5a-d). Desplazamiento fase inducido fuerza electrostática (ΔΦ) aumenta obviamente intensidad láser. Imagen desplazamiento fase modo escaneo línea centro superior nanohilo Fig. 5e, desplazamiento fase promedio línea escaneo curva marcada Fig. 5f. Ambos muestran claramente aumento ΔΦ intensidad láser.

Información más definida medidas EFM: ΔΦ medido función voltaje aplicado (V_EFM) diferentes irradiaciones láser nanohilo individual. Conjunto curvas ΔΦ ~ V_EFM nanohilo Si diámetro 190 nm longitud 800 nm (Fig. 6a puntos dispersos). Aumenta intensidad láser, curvas ΔΦ ~ V_EFM se desplazan hacia abajo. Indica más portadores generados y atrapados nanohilos. Análisis cuantitativo: sistema punta-muestra tratado capacitor plano, gradiente fuerza electrostática capacitiva causa desplazamiento fase aplicando sesgo punta-muestra. Con cargas atrapadas nanoestructuras irradiación láser, desplazamiento fase adicional inducido fuerza Coulomb generado. Desplazamiento fase detectado EFM descrito Ec. (5): ΔΦ = -Q/k [½ ∂²C/∂z² (V_EFM - V_CPD)² + Q_s/2πε₀z² (C/z - ½ ∂C/∂z)(V_EFM - V_CPD) + Q_s²/2πε₀z³], donde C, V_EFM, V_CPD capacitancia, voltaje DC aplicado, diferencia potencial contacto punta-muestra; Q_s cantidad cargas atrapadas nanohilo; Q factor calidad, k constante resorte sonda; z distancia cargas atrapadas nanohilo.

Curvas ΔΦ ~ V_EFM Fig. 6a ajustadas bien Ec. (5) líneas sólidas. Parámetros ajuste: V_CPD y Q_s obtenidos usando Q=186, k=2,8 N/m punta Pt/Ir recubierta y aproximando z altura levantamiento, graficados Fig. 6b función intensidad láser. Aumenta intensidad láser: V_CPD disminuye, cargas atrapadas Q_s aumentan. Literatura: cambio V_CPD irradiación láser relacionado variación densidad portadores atrapados. Disminución V_CPD irradiación láser experimentos también atribuible aumento densidad carga atrapada.

Diagrama energético (Material Suplementario Fig. S4): SBH ≈ qV_CPD + E_n (E_n = E_C - E_F). E_n constante todos Si NWs mismo material → dependencia tamaño V_CPD representa bien dependencia SBH. Resultados V_CPD Si NWs diferentes diámetros/longitudes (Material Suplementario Fig. S5) función intensidad láser. Todos V_CPD medidos disminuyen intensidad láser aumentada. Dependencia V_CPD diámetro/longitud nanohilos intensidad láser 8 W/cm² Fig. 6c,d. V_CPD aumenta obviamente diámetro aumentado y longitud aumentada, buen acuerdo dependencia tamaño SBH. Resultados EFM sugieren irradiación láser genera portadores atrapados nanohilos, inducen reducción altura barrera → mejora conductancia (Fig. 4).

Conclusión

Resumen: método simple bajo coste sin procedimientos intrincados, arrays Si NWs diámetros/longitudes controlables preparados. Propiedades fotoconductivas medidas directamente nanohilos Si individuales sin nanofabricación compleja mediante PCAFM. Conductancia dependiente tamaño obtenida nanohilos individuales diferentes diámetros/longitudes. Resultados: fotocorriente nanohilos Si individuales aumenta grandemente intensidad láser, magnitud aumento obviamente relacionada tamaños nanohilos. Si NWs diámetros menores y longitudes cortas exhiben mayor fotoconductancia. Medidas EFM combinado irradiación láser proporcionaron información cargas fotogeneradas y altura barrera contacto, aplicable explicar propiedades fotoconductivas Si NWs y su dependencia tamaño. Estudio: propiedades fotoeléctricas investigadas nanohilos individuales PCAFM y EFM, importante tanto comprensión básica como aplicaciones potenciales nanoestructuras optoelectrónica y fotovoltaica.

Disponibilidad datos y materiales

Conjuntos datos usados apoyar conclusión incluidos artículo y archivo soporte.

Abreviaturas

Si NWs:

Nanohilos Si

CAFM:

Microscopía fuerza atómica conductiva

PCAFM:

Microscopía fuerza atómica fotoconductiva

EFM:

Microscopía fuerza electrostática

PV:

Fotovoltaico

NSL:

Nanolitografía esferas

MACE:

Grabado químico asistido metal

SPM:

Microscopía sonda barrido

PS:

Esferas poliestireno

RIE:

Grabado iones reactivos

SEM:

Microscopía electrónica barrido

EDX:

Espectroscopía rayos X dispersiva energía

SBH:

Altura barrera Schottky

CPD:

Diferencia potencial contacto