Propiedades fotoeléctricas investigadas en nanocables de Si individuales y su dependencia de tamaño

Resumen

Las matrices ordenadas periódicamente de nanocables de Si alineados verticalmente (Si NW) se fabrican con éxito con diámetros y longitudes controlables. Sus propiedades fotoconductoras se investigan mediante microscopía de fuerza atómica fotoconductora (PCAFM) en nanocables individuales. Los resultados muestran que la fotocorriente de Si NW aumenta significativamente con la intensidad del láser, lo que indica que los Si NW tienen buena fotoconductancia y capacidad de fotorrespuesta. Esta conductancia fotoamplificada se puede atribuir al cambio de barrera de Schottky fotoinducido, confirmado por análisis de curvas IV. Por otro lado, los resultados de la microscopía de fuerza electrostática (EFM) indican que un gran número de cargas fotogeneradas quedan atrapadas en Si NW bajo irradiación láser, lo que lleva a la disminución de la altura de la barrera. Además, se estudia la dependencia del tamaño de las propiedades fotoconductoras en Si NW con diferentes diámetros y longitudes. Se encuentra que la magnitud creciente de la fotocorriente con la intensidad del láser es muy relevante para el diámetro y la longitud de los nanocables. Los Si NW con diámetros más pequeños y longitudes más cortas muestran mejores propiedades fotoconductoras, lo que concuerda bien con la variación de la altura de la barrera dependiente del tamaño inducida por cargas fotogeneradas. Con un diámetro y una longitud optimizados, se logran excelentes propiedades fotoeléctricas en Si NW. En general, en este estudio las propiedades fotoeléctricas de los Si NW individuales son investigadas sistemáticamente por PCAFM y EFM, proporcionando información importante para la optimización de nanoestructuras para aplicaciones prácticas.

Introducción

Los nanocables de silicio (Si NW) han atraído una gran atención en los últimos años debido a sus propiedades únicas y compatibilidad con la tecnología de silicio tradicional. Los Si NW se han demostrado para una variedad de aplicaciones, como circuitos lógicos integrados, células solares, dispositivos termoeléctricos y biosensores [1, 2, 3, 4, 5]. En particular, cuando se disponen de forma muy ordenada, los Si NW pueden mejorar en gran medida la absorción de luz y la recolección de carga, lo que les permite lograr una alta eficiencia tanto en las células solares como en los fotodetectores [6, 7, 8]. En las últimas décadas, el crecimiento controlable de estos arreglos de nanocables ordenados, así como la fabricación óptima de dispositivos fotovoltaicos (PV), se han investigado intensamente [9,10,11]. Por el contrario, hay muchos menos estudios fundamentales sobre las características fotoeléctricas en tales matrices de Si NW, especialmente en nanocables individuales dentro de las matrices.

Para realizar las aplicaciones de las matrices de nanocables ordenadas en células solares y dispositivos fotovoltaicos, es extremadamente importante comprender bien sus propiedades fotoconductoras. Hoy en día, las propiedades fotoconductoras de las matrices de nanocables se investigan generalmente por métodos macroscópicos con la deposición de electrodos de dos lados bajo irradiación de luz [12, 13]. Sin embargo, para un análisis más preciso, es necesario lograr las propiedades en nanocables individuales o individuales en lugar de resultados promediados. Además de los estudios que aplican dispositivos de nanocables únicos que no son fáciles de fabricar, las mediciones eléctricas basadas en microscopía de sonda de barrido (SPM) se han revelado como técnicas poderosas para caracterizaciones eléctricas a nanoescala [14, 15]. Entre estas técnicas de SPM, la microscopía de fuerza atómica conductiva (CAFM) se ha aplicado con mayor frecuencia para estudiar las propiedades conductoras de nanoestructuras individuales como películas, heteroestructuras y nanocables [16,17,18,19,20]. Combinando con la irradiación láser, se puede modificar como microscopía de fuerza atómica fotoconductora (PCAFM) que proporciona una ruta para investigar las propiedades fotoconductoras en nanoestructuras individuales [21, 22]. En los últimos años, PCAFM ya se ha empleado para mediciones de fotocorriente en células solares orgánicas [23,24,25,26] e inorgánicas [27,28,29], así como en algunas nanoestructuras, incluidas películas delgadas de Si microcristalino, heteroestructuras de CdS , MoS ₂ películas y ZnO NW [30,31,32,33]. Sin embargo, la mayoría de estos estudios se centraron en la influencia de la irradiación láser con diversas intensidades de potencia o longitudes de onda, mientras que algunas investigaciones se centraron en el efecto del tamaño de los nanocables.

Por otro lado, para lograr una matriz de Si NW con excelentes propiedades fotoconductoras, es muy necesario obtener su dependencia del tamaño para la optimización del diámetro y la longitud de los nanocables. Por lo tanto, en las últimas décadas, se han dedicado muchos esfuerzos a revelar la dependencia del tamaño de las propiedades fotoconductoras mediante el uso de métodos macroscópicos o dispositivos de nanocables únicos [34, 35]. En el aspecto de la dependencia de la longitud, muchas investigaciones encontraron que la fotocorriente aumentaba con el aumento de la longitud de los nanocables por debajo de un valor específico que variaba de 1 a 18 μm y luego disminuía a medida que la longitud aumentaba aún más [12, 36, 37], mientras que otro estudio informó que la fotoconductancia aumenta sublinealmente con la disminución de la longitud [38]. Mientras tanto, los resultados de la dependencia del diámetro fueron todavía muy inconsistentes. Por ejemplo, el trabajo de Kim et al. encontraron que la fotoconductancia de los nanocables de Ge intrínsecos aumentaba con la disminución del diámetro [35], mientras que otros trabajos sobre nanocables de GaN encontraron que la fotocorriente aumentaba a medida que aumentaba el diámetro [39]. Por lo tanto, la dependencia del tamaño de las propiedades fotoconductoras de los nanocables está lejos de alcanzar un entendimiento bueno y común.

En este artículo, las matrices ordenadas de Si NW alineadas verticalmente con diámetros y longitudes controlables se fabrican con éxito mediante el método de litografía de nanoesferas (NSL) combinado con grabado químico asistido por metal (MACE), como se informó en estudios anteriores [1, 40]. Sus propiedades fotoconductoras son investigadas por PCAFM sin ninguna nanofabricación adicional. Nuestros resultados demuestran que la fotocorriente medida en Si NW individuales aumenta enormemente con la intensidad del láser, y la magnitud creciente está obviamente relacionada con el tamaño de los nanocables. Los Si NW con diámetros más pequeños y longitudes más cortas son más fotoconductores. Por otro lado, las mediciones realizadas por microscopía de fuerza electrostática (EFM) combinada con irradiación láser proporcionaron la información de las cargas fotogeneradas y la modificación de la altura de la barrera, que se puede emplear para explicar la conductancia fotoaumentada dependiente del tamaño de los Si NW. Por lo tanto, este estudio no solo revela las propiedades fotoeléctricas dependientes del tamaño de los Si NW, sino que también sugiere que PCAFM y EFM son herramientas efectivas para investigar las propiedades fotoeléctricas de nanoestructuras individuales, así como para explorar la dependencia del tamaño (u otros parámetros).

Materiales y métodos

Materiales

Las obleas de Si se adquirieron en MTI (China). Se obtuvo agua desionizada (DI, 18,2 MΩ cm) de un sistema de ultrafiltración (Milli-Q, Millipore, Marlborough, MA). Se adquirieron acetona, metanol, ácido sulfúrico, peróxido de hidrógeno y ácido fluorhídrico de Sinopharm Chemical Reagent (China). Las suspensiones (2,5% en peso en agua) de esferas de poliestireno (PS, 490 nm de diámetro) se adquirieron de Duke Scientific (EE. UU.).

Fabricación y caracterización de Si NWs

NSL y MACE fabricaron matrices de nanocables de silicio ordenadas verticalmente, como se informó en estudios anteriores [1, 40]. Los principales procesos de fabricación se describen simplemente a continuación. En primer lugar, se autoensamblaron esferas de poliestireno (PS) sobre la oblea de Si limpiada químicamente (tipo n, 0,01-0,02 Ω cm). A continuación, el diámetro de las esferas de PS se redujo mediante grabado con iones reactivos (RIE, Trion Technology) (50 W, 70 mTorr) hasta un valor deseado, y la monocapa de PS de diámetro reducido actuó como una máscara en los siguientes procedimientos. Después de una deposición de película de Au de 20 nm por pulverización iónica que actuó como catalizador para el siguiente tratamiento MACE, la muestra se sumergió en la solución mixta de HF (40%) y H ₂ O ₂ (30%) con una relación de volumen de 4:1 para el proceso MACE y NW de Si alineados verticalmente mediante este procedimiento. Finalmente, la capa de Au restante y las esferas de PS se eliminaron sumergiendo la muestra en KI / I ₂ solución mixta y solución de tetrahidrofurano, respectivamente. La morfología después de cada paso se verificó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM, SIGMA300). Las imágenes típicas de SEM de la monocapa de PS autoensamblada original, la monocapa de PS de diámetro reducido y las NW de Si fabricadas después de quitar la capa de Au y las esferas de PS se muestran en la Fig. 1a-c, respectivamente. Puede verse que se lograron matrices ordenadas de Si NW alineadas verticalmente a gran escala. Además, al ajustar el tiempo de RIE y MACE, se puede controlar bien el diámetro y la longitud de los nanocables [40].

un - c Imágenes SEM de los procedimientos principales para fabricar una matriz de Si NW alineada verticalmente: a Monocapa PS autoensamblado, b monocapa de PS de diámetro reducido y c matriz Si NWs fabricada. d Espectro EDX medido en Si NW. e Diagramas esquemáticos de PCAFM y EFM bajo irradiación láser

Además, la composición de dichos nanocables se midió mediante espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX, OXFORD, Aztec X-Max 80). En la Fig. 1d se muestra un espectro de EDX típico medido en nanocables de Si después de la inmersión de HF. Los resultados muestran que los nanocables están dominados por silicio (~ 95,6%) excepto trazas de oxígeno (4,4%). Para la confirmación, las mediciones de EDX se repitieron muchas veces en diferentes áreas de la muestra, y los resultados medidos fueron bien concordantes, con una concentración de oxígeno que varió de 0 a 7,2%. Por lo tanto, se podría considerar aproximadamente que los Si NW fabricados son puros y están libres de cualquier otra impureza, excepto una ligera oxidación en la superficie. Nuestros resultados concuerdan bien con los informados en estudios previos por HRTEM o EDX [41, 42], en los que se encontró que los Si NW fabricados por el mismo método MACE podrían mantener principalmente sus estructuras cristalinas y solo se observó una fina capa amorfa en el superficie de la pared de los NW [43, 44]. Un delgado SiO ₂ Se encontró que la capa se formó en la superficie porosa del nanoalambre, sin que se detectaran otras impurezas en la superficie [41].

Las mediciones fotoeléctricas en Si NW individuales se llevaron a cabo con un equipo SPM comercial (Multimode V, Bruker Nano Surfaces), como se muestra en la figura 1e. En PCAFM, la punta conductora escaneó sobre la superficie de la muestra en modo de contacto con un voltaje de polarización aplicado entre el sustrato y la punta conectada a tierra eléctricamente, y se midió la corriente resultante. Se introdujo irradiación láser en el cabezal SPM a través de una fibra de 400 μm. Se enfocó un láser de diodo de 405 nm con intensidad ajustable (láseres DPSS, MDL-III) sobre el sustrato, y el área del punto del láser era de aproximadamente 1 mm ² debajo de la punta recubierta de Pt / Cr. Para obtener las mediciones de corriente estable en cada intensidad de láser, esperaríamos unos minutos antes de las mediciones para reducir al máximo el estado inestable causado por el cambio de intensidad del láser. Por otro lado, se necesitaron más de diez minutos para completar cada medición de imagen actual. Como queremos completar la medición de corriente bajo diferentes intensidades de láser antes de que los nanocables se oxidaran seriamente, intensidades de láser con un intervalo relativamente grande (2 W / cm ² ) varió de 0 a 8 W / cm ² fueron escogidos. Las imágenes de corriente fotoconductora, así como las curvas I – V, se midieron en nanocables individuales bajo diferentes irradiaciones láser. Mediante el uso de EFM, tanto la topografía de la muestra como el cambio de fase inducido por la fuerza eléctrica podrían registrarse mediante un modo de dos pasadas. En la primera pasada se obtuvo la imagen topográfica en modo tapping. En el segundo pase elevado (la punta se elevó lo suficientemente alto como para ignorar el cambio de fase inducido por la fuerza de van der Waals), se aplicó una polarización de CC entre la punta y la muestra y se detectó la señal de cambio de fase determinada por el gradiente de fuerza eléctrica. Los principios operativos detallados se pueden encontrar en estudios anteriores [45, 46]. Se aplicaron puntas recubiertas de Pt / Cr (Multi75E-G, Budget Sensors, radio de aproximadamente 25 nm) en todas las mediciones eléctricas y todos los experimentos se realizaron en un flujo de N ₂ ambiente. Cada muestra se sumergió previamente en la solución de HF (5%) durante 30 s para eliminar la capa de óxido en la superficie de la muestra, y luego la muestra se lavó en agua desionizada corriente durante al menos 5 min para que no quedara HF en la superficie de la muestra. superficie, excepto que la superficie de Si estaba pasivada con hidrógeno, lo que podía proteger la superficie de Si de la re-oxidación y mantener las características del semiconductor durante aproximadamente 60 min [47]. Después de la inmersión en HF, la muestra se midió inmediatamente, con el fin de reducir al máximo la influencia de la capa de óxido en la caracterización eléctrica.

Resultados y discusión

Mediciones de propiedades fotoconductoras en Si NW individuales

Al combinarse con la irradiación láser, el PCAFM investiga las propiedades fotoconductoras de los Si NW en función de la intensidad del láser. En la Fig. 2b-f se muestran las imágenes de corriente típicas obtenidas en los Si NW con un diámetro de 190 nm y una longitud de 800 nm bajo diferentes irradiaciones láser con un sesgo de muestra de -1,5 V, junto con la imagen topográfica que se muestra en la Fig. 2a . Dado que la punta era una cuña con un gran ángulo que la impedía llegar al fondo, especialmente las imágenes se obtuvieron en modo de contacto, los nanocables observados están algo distorsionados y solo se puede medir la corriente en el lado superior de los nanocables. De todos modos, la distribución actual de los nanocables individuales se puede observar claramente a partir de las imágenes actuales. En la imagen actual sin irradiación láser (Fig. 2b), los Si NW exhiben una conductancia un poco mejor en la mayoría de los bordes que en el centro, lo que se atribuyó al área de contacto lateral más grande entre la punta y el nanoalambre [40]. Bajo irradiación con láser, la corriente de Si NW aumenta obviamente con la intensidad del láser (Fig. 2c, d), mientras que el área conductora de los nanocables aumenta de manera correspondiente. Para obtener una relación distinta entre la fotocorriente y la intensidad del láser, las corrientes promedio de Si NW se calculan sobre todos los nanocables en los mapas actuales, que se presentan en la Fig. 2g como una función de la intensidad del láser. Los resultados muestran que la corriente promedio tiene un aumento de aproximadamente dos veces (de 85 a 146 pA) a medida que la intensidad del láser aumenta de 0 a 8 W / cm ² , lo que indica que se generan más portadores bajo la irradiación láser.

La topografía ( a ) e imágenes actuales de Si NW con una longitud de 800 nm y un diámetro de 190 nm bajo diferentes intensidades de láser de b 0, c 2, d 4, e 6 y f 8 W / cm ² . g presenta la corriente promediada ( I _av ) sobre los nanocables en función de la intensidad del láser. h muestra la fotorrespuesta en función de la intensidad del láser

En estudios anteriores [32, 48], la fotorrespuesta se aplicó generalmente para describir la capacidad de respuesta de los fotodetectores, que se definió como:

$$ R =\ frac {{{{(I _ {{\ text {L}}} - I_ {D})} \ mathord {\ left / {\ vphantom {{(I _ {{\ text {L}}} - I_ {D})} q}} \ derecha. \ kern- \ nulldelimiterspace} q}}} {{{{P _ {{{\ text {inc}}}}} \ mathord {\ left / {\ vphantom {{P _ {{{\ text {inc}}}} } {h \ upsilon}}} \ derecha. \ kern- \ nulldelimiterspace} {h \ upsilon}}}}, $$ (1)

donde yo _L y yo _D son la corriente con y sin irradiación láser, respectivamente. P _inc es el producto de la densidad de potencia del láser incidente dividido por el área efectiva del área de contacto entre la punta y la muestra, q es la carga elemental y hν es la energía de los fotones. En nuestro caso, el área de contacto del efecto es de aproximadamente 2 × 10 ^–11 cm ² utilizando el radio de la punta de 25 nm y, como resultado, la fotorrespuesta de Si NW se puede calcular en aproximadamente 2,3 a la intensidad del láser de 2 W / cm ² , lo que indica que los Si NW tienen una excelente capacidad de mejora de fotografías. La figura 2h presenta la fotorrespuesta en función de la intensidad del láser, y se puede ver que la fotorrespuesta disminuye con el aumento de la intensidad del láser, pero todos los valores son aún mayores que 1. Por lo tanto, los resultados anteriores demuestran que la irradiación del láser puede mejorar en gran medida la conductancia de Si NW, lo que sugiere su potencial de aplicación prometedor en fotodetectores.

Para investigar la dependencia del tamaño de las propiedades fotoconductoras, se realizaron mediciones de fotocorriente en los Si NW con diferentes diámetros y longitudes. Imágenes actuales típicas de Si NW con la misma longitud de 350 nm pero diferentes diámetros de 190 a 350 nm se muestran en el archivo adicional 1:Fig. S1 bajo 0, 4 y 8 W / cm ² irradiación láser con el mismo sesgo de muestra de - 1,5 V. Las corrientes medias de Si NW calculadas sobre todos los nanocables en las imágenes actuales se presentan en la Fig. 3a como una función de la intensidad del láser. Puede verse que la conductancia de Si NW con todos los diámetros aumenta obviamente con el aumento de la intensidad del láser. Bajo la misma intensidad de láser, los valores de corriente absoluta aumentan significativamente a medida que el diámetro disminuye de 350 a 190 nm. Estos resultados sugieren que los Si NW con diámetros más pequeños son más conductores que aquellos con diámetros más grandes. La fotorrespuesta promediada sobre las intensidades del láser se presenta en la Fig. 3b para diferentes diámetros. Se puede ver que la fotorrespuesta disminuye con el diámetro incrementado, lo que significa que los Si NW con diámetros más pequeños tienen una mejor capacidad de fotorrespuesta. Por otro lado, la fotocorriente ( I _L - yo _D ) a la intensidad del láser de 8 W / cm ² para diferentes diámetros se muestra en la Fig. 3c. Muestra claramente que la fotocorriente disminuye a medida que aumenta el diámetro, lo que indica que los Si NW con diámetros más pequeños tienen una mejor fotoconductancia.

un La corriente promediada ( I _av ) de Si NW con diferentes diámetros en función de la intensidad del láser. b La fotorrespuesta promediada sobre las intensidades del láser en función de los diámetros. c La dependencia de la fotocorriente del diámetro a la intensidad del láser de 8 W / cm ² . d El yo _av de Si NW con diferentes longitudes en función de la intensidad del láser. e La fotorrespuesta promediada sobre las intensidades del láser en función de la longitud. f La dependencia de la fotocorriente de la longitud a la intensidad del láser de 8 W / cm ²

Se llevan a cabo mediciones similares en Si NW con el mismo diámetro pero diferentes longitudes. Los resultados de los nanocables con un diámetro de 190 nm y longitudes de 350 a 960 nm se muestran en el archivo adicional 1:Fig. S2. Las corrientes promedio de nanocables con diferentes longitudes se presentan en la Fig. 3d. Con el aumento de la intensidad del láser, todos los nanocables exhiben un aumento obvio en la conductancia, y los Si NW más cortos tienen la conductancia más grande en todo el rango de intensidad del láser hasta 8 W / cm ² . La fotorrespuesta y la fotocorriente en función de la longitud de los nanocables a la intensidad del láser de 8 W / cm ² se presentan en la Fig. 3e, f, respectivamente. Puede verse que con el aumento de longitud de 350 a 960 nm, la fotorrespuesta no muestra una dependencia de longitud obvia, mientras que la fotocorriente disminuye en gran medida con el aumento de longitud.

Análisis de curvas I – V y altura de la barrera de Schottky dependiente del tamaño

Como se informó en nuestro trabajo anterior [40], en las mediciones CAFM en Si NW, la resistencia de contacto punta-nanocable debe considerarse enfáticamente, en la que la barrera de Schottky juega un papel importante. Para investigar el papel de la barrera de Schottky en la fotoconductancia y el efecto de la irradiación láser en la altura de la barrera, se registran curvas de corriente-voltaje (I-V) en Si NW individuales. En la Fig. 4a se presentan las curvas I – V típicas en los Si NW con un diámetro de 190 nm y una longitud de 800 nm bajo diferentes irradiaciones láser. Todas las curvas I-V exhiben la característica I-V típica del contacto de semiconductores de tipo n y metal, lo que indica que el efecto de la capa de oxígeno sobre la conductancia no es grave y, por lo tanto, se ignora en la siguiente discusión. Se puede observar que, a medida que aumenta la intensidad del láser, la corriente de los Si NW aumenta obviamente. La mejora puede alcanzar aproximadamente 3 veces cuando la intensidad del láser aumenta de 0 a 8 W / cm ² bajo el sesgo de -1,5 V, que es muy consistente con los resultados obtenidos de las imágenes actuales. Para obtener un análisis cuantitativo, se adopta un modelo de emisión termoiónica bien conocido para un contacto metal-semiconductor [13, 49]. En este modelo, las características I – V de un contacto Schottky con un semiconductor de tipo n en presencia de resistencia en serie se pueden aproximar como [13]:

$$ I =I _ {{\ text {S}}} \ left [{\ exp \ left ({\ frac {{q (V - IR _ {{\ text {S}}})}} {{{\ text {n}} kT}}} \ derecha) - {1}} \ derecha], $$ (2)

donde n es el factor ideal y R _S es la resistencia en serie. yo _S es la corriente de saturación, que se puede expresar mediante:

$$ I_ {S} =AA ^ {*} T ^ {2} \ exp \ left ({- \ frac {{\ user2 {\ varphi} _ {{\ text {B}}}}} {kT}} \ derecha), $$ (3)

donde A es el área de contacto, \ (A ^ {*} \) es la constante de Richardson y φ _B es la altura de la barrera de Schottky (SBH) entre la punta de metal y el nanoalambre de Si. Así, SBH se puede obtener con la fórmula:

$$ \ user2 {\ varphi} _ {{\ text {B}}} =kT \ ln \ left ({\ frac {{AA ^ {*} T ^ {2}}} {{I _ {{\ text { S}}}}}} \ right), $$ (4)

un Curvas I – V típicas de Si NW con 190 nm de diámetro y 800 nm de longitud bajo diferentes irradiaciones láser. b Valores SBH obtenidos del ajuste de curvas I – V en a . Los valores de SBH dependientes del diámetro y la longitud por debajo de 8 W / cm ² la irradiación láser se representa en c , d , respectivamente

Las curvas I – V de la Fig. 4a pueden ajustarse bien con la Ec. (2). Para obtener los valores SBH de la corriente de saturación, se supone que la constante de Richardson efectiva \ (A ^ {*} \) es aproximadamente igual a la del silicio a granel, es decir, 112 A cm ⁻² K ⁻² para silicio tipo n. Se supone que el área de contacto es 2 × 10 ^–11 cm ² tomando el radio de la punta recubierta de Cr / Pt como 25 nm. Los valores de SBH se obtienen en aproximadamente 474, 453, 437, 429 y 416 meV para diferentes intensidades de láser de 0, 2, 4, 6 y 8 W / cm ² , respectivamente, como se muestra en la Fig. 4b. Demuestra que SBH disminuye significativamente con la intensidad del láser, que puede ser el principal contribuyente a la conductancia fotoamplificada. Mientras tanto, la dependencia de SBH del diámetro y la longitud de los nanocables a la misma intensidad láser se muestra en la Fig. 4c, d, respectivamente. Los resultados indican que los Si NW con diámetros más pequeños y longitudes más cortas tienen valores de SBH más pequeños, lo que resulta en una mejor fotoconductancia obtenida en tales nanocables. El diámetro y la dependencia de la longitud de SBH bajo diferente irradiación láser se muestran en el archivo adicional 1:Fig. S3, que respalda aún más la conclusión anterior. Obviamente, todos los valores de SBH medidos para Si NW con diferentes diámetros y longitudes son más pequeños que los del Si a granel (~ 600 meV) [40] y disminuyen aún más con el aumento de la intensidad del láser, lo que indica que los Si NW pueden lograr propiedades fotoconductoras prometedoras para posibles aplicaciones.

Por lo tanto, a partir de los resultados anteriores, se puede concluir que las propiedades fotoconductoras de los Si NW dependen en gran medida de sus diámetros y longitudes, es decir, los Si NW con diámetros más pequeños y longitudes más cortas exhiben una mejor fotoconductancia, lo que debe atribuirse al SBH dependiente del tamaño como revelado por el ajuste de la curva I – V. El mecanismo exacto sobre la dependencia del tamaño de SBH aún no está claro. Puede estar relacionado con los estados de la interfaz y / o la estructura desordenada en la capa exterior rugosa. Según los estudios previos [50, 51, 52], los estados de interfaz cargados podrían reducir efectivamente el SBH. Por ejemplo, en la referencia [50], Yoon et al. Supuso que la transferencia de portadora inducida por el estado de la interfaz formaría dos capas cargadas opuestas con estados superficiales cargados negativamente y el mismo número de cargas positivas, lo que podría generar un campo eléctrico contrario al campo eléctrico incorporado, lo que resultaría en una reducción efectiva de SBH que dependía en gran medida del diámetro de los nanocables. Al utilizar el modelado de elementos finitos y tratar el nanoalambre como un condensador coaxial cilíndrico, encontraron que la magnitud de la reducción de la barrera aumentaría a medida que se redujera el diámetro del nanoalambre. En nuestro caso, debido a la superficie rugosa de los nanocables fabricados con MACE, al entrar en contacto con la punta de metal, se generaría una gran densidad de estados de interfaz que también pueden reducir efectivamente la altura de la barrera adoptando el punto de vista anterior. La densidad del estado de la superficie aumenta con la disminución del diámetro de los nanocables, se puede lograr un SBH más pequeño en los nanocables con diámetros más pequeños. Por lo tanto, los Si NW con diámetros más pequeños exhiben mayor conductancia. Debido a que SBH disminuye con la intensidad del láser para todos los diámetros, los Si NW con diámetros más pequeños también exhiben una mayor fotoconductancia.

Sin embargo, la razón por la que los valores de SBH dependen de la longitud no se puede interpretar desde este punto de vista. Los nanocables más largos requieren más tiempo MACE para fabricarse, lo que resulta en más desorden o rugosidad de la superficie. Diferentes cambios en las microestructuras de la superficie pueden introducir diferentes cambios en los valores de SBH, que necesitan más investigaciones para resolverlos. De todos modos, cualquiera que sea el origen de la dependencia del tamaño de las propiedades fotoconductoras, la reducción de SBH dependiente del tamaño podría resultar en una mayor conductancia o fotoconductancia, lo que debería ser beneficioso para aplicaciones prácticas.

Cargas atrapadas fotogeneradas y modificación de la altura de la barrera

Para verificar aún más los resultados de SBH de Si NW obtenidos por PCAFM, las imágenes EFM se midieron en Si NW bajo diferente irradiación láser, como se muestra en la Fig. 5a – d. Puede verse que el cambio de fase inducido por la fuerza electrostática (Δ Φ ) aumenta obviamente con la intensidad del láser. La imagen de cambio de fase adquirida en el modo de exploración de línea en el centro superior del nanoalambre se presenta en la Fig. 5e, y el desplazamiento de fase promediado sobre la línea de exploración a lo largo de la curva marcada se dibuja en la Fig. 5f. Ambos muestran claramente el aumento de Δ Φ con intensidad láser.

La imagen topográfica de Si NW ( a ), las imágenes de desplazamiento de fase obtenidas a diferentes intensidades de láser de 0 ( b ), 4 ( c ) y 10 W / cm ² ( d ), respectivamente. e La imagen de cambio de fase adquirida en el modo de escaneo de línea en el centro superior del nanoalambre. El cambio de fase promediado sobre la línea de exploración a lo largo de la curva roja marcada en e se traza en f

Para obtener información más precisa de las mediciones EFM, Δ Φ se midió en función del voltaje aplicado ( V _EFM ) bajo diferente irradiación láser en un determinado nanoalambre. Un conjunto de Δ Φ ~ V _EFM Las curvas medidas en el nanoalambre de Si con un diámetro de 190 nm y una longitud de 800 nm se presentan en la Fig. 6a como puntos dispersos. Se puede ver que, con el aumento de la intensidad del láser, el Δ Φ ~ V _EFM las curvas se desplazan hacia abajo. Indica que se generan y quedan atrapados más portadores en nanocables [45]. Para el análisis cuantitativo, el sistema punta-muestra se trata simplemente como un condensador plano, y el gradiente de fuerza electrostática capacitiva causaría un cambio de fase al aplicar un sesgo entre la punta y la muestra. Con cargas atrapadas en las nanoestructuras por irradiación láser, se generaría un cambio de fase adicional inducido por la fuerza de Coulombic [53]. El cambio de fase detectado por EFM se puede describir como [54, 55]:

$$ \ Delta \ Phi =- \ frac {Q} {k} \ frac {\ parcial F} {{\ parcial z}} =- \ frac {Q} {k} \ left [{\ frac {1} { 2} \ frac {{\ parcial ^ {2} C}} {{\ parcial z ^ {2}}} (V _ {{{\ text {EFM}}}} - V _ {{{\ text {CPD}} }}) ^ {2 \,} + \ frac {{Q _ {{\ text {s}}}}} {{2 \ pi \ varepsilon_ {0} z ^ {2}}} \ left ({\ frac { C} {z} - \ frac {1} {2} \ frac {\ parcial C} {{\ parcial z}}} \ derecha) (V _ {{{\ text {EFM}}}} - V _ {{{ \ text {CPD}}}}) + \ frac {{Q _ {{\ text {s}}} ^ {2}}} {{2 \ pi \ varepsilon_ {0} z ^ {3}}}} \ right ], $$ (5)

donde C , V _EFM y V _CPD son la capacitancia, el voltaje de CC aplicado y la diferencia de potencial de contacto entre la punta y la muestra, respectivamente. Q _s es la cantidad de cargas atrapadas en el nanoalambre, Q es el factor de calidad y k es la constante de resorte de la sonda, y z es la distancia entre las cargas atrapadas en el nanoalambre.

Δ Φ ~ V _EFM Las curvas de la Fig. 6a pueden ajustarse bien utilizando la Ec. (5), que se muestra como líneas continuas. De los parámetros de ajuste, V _CPD y Q _s se puede obtener usando Q =186 y k =2,8 N / m para la punta recubierta de Pt / Ir [56, 57] y aproximadamente z como la altura de elevación, que se representan en la Fig. 6b en función de la intensidad del láser. Se puede ver que, con el aumento de la intensidad del láser, V _CPD disminuye mientras el atrapado carga Q _s aumento. Como se informa en la literatura [46], el cambio de V _CPD bajo irradiación láser se relacionó con la variación en la densidad de portadores atrapados. Por lo tanto, la disminución de V _CPD con la irradiación láser en nuestros experimentos también se puede atribuir al aumento de la densidad de carga atrapada.

un ∆ Φ ~ V _EFM curvas medidas por EFM en Si NW individuales con un diámetro de 190 nm y una longitud de 800 nm bajo diferentes irradiaciones láser. b Los resultados de Qs y V _CPD obtenido ajustando las curvas en a en función de la intensidad del láser. La dependencia del diámetro y la longitud de V _CPD at the laser intensity of 8 W/cm² is presented in c , d , respectivamente

From the energy diagram given in Additional file 1:Fig. S4, the value of SBH roughly equals to qV _CPD plus E _n (= E _C - E _F ) [40]. As E _n is a constant for all Si NWs made from the same material, the size dependence of V _CPD well represents that of SBH. The results of V _CPD obtained on Si NWs with different diameters and lengths are presented in Additional file 1:Fig. S5 as a function of laser intensity. All of the measured V _CPD for Si NWs with different diameters and lengths decrease with the increased laser intensity. The dependence of V _CPD on nanowires’ diameter and length at the same laser intensity of 8 W/cm² is shown in Fig. 6c, d, respectively. Puede verse que el V _CPD increases obviously with the increased diameter and increased length, in a good agreement with the size dependence of SBH. Therefore, from the EFM results, it can be suggested the laser irradiation can generate carriers trapped in nanowires, which can induce the lowering of barrier height leading to the enhancement of conductance (Fig. 4).

Conclusión

In summary, by a simple and low-cost method without involving any intricated procedures, Si NWs arrays with controllable diameters and lengths are prepared. The photoconductive properties are directly measured on individual Si NWs without complex nanofabrication procedure by the means of PCAFM. The size-dependent conductance of Si NWs is obtained on individual nanowires with different diameters and lengths. The results demonstrate that the photocurrent measured on individual Si NWs increases greatly with the laser intensity, and the increasing magnitude is obviously related to the nanowires’ sizes. Si NWs with smaller diameters and shorter lengths exhibit larger photoconductance. On the other hand, the measurements performed by EFM combined with laser irradiation provided the information of photogenerated charges and contact barrier height, which can be applied to explain the photoconductive properties of Si NWs as well as their size-dependence. Therefore, in this study, the photoelectrical properties are investigated on individual nanowires by PCAFM and EFM, which should be important for both basic understanding and potential applications of nanostructures in optoelectronics and photovoltaics.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos utilizados para respaldar la conclusión se incluyen en el artículo y el archivo de respaldo.

Abreviaturas

Si NWs:: Si nanowires
CAFM:: Microscopía de fuerza atómica conductiva
PCAFM:: Photoconductive conductive atomic force microscopy
EFM:: Electrostatic force microscopy
PV:: Fotovoltaica
NSL:: Nanosphere lithography
MACE:: Grabado químico asistido por metales
SPM:: Scanning probe microscopy
PD:: Polystyrene spheres
RIE:: Reactive ion etching
SEM:: Microscopía electrónica de barrido
EDX:: Espectroscopía de rayos X de energía dispersiva
SBH:: Altura de la barrera Schottky
CPD:: Diferencia de potencial de contacto

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