Fabricación de nanosensores de rectificación mediante dielectroforesis de corriente continua Alineación de nanocables de ZnO

Resultados y discusión

La Figura 2a, b muestra la vista en planta y las imágenes SEM en sección transversal, respectivamente, de las matrices de ZnO NW que se cultivaron mediante el método hidrotermal. Los ZnO NW tenían una forma hexagonal, un diámetro medio de 120 nm y una longitud de 3,5 μm. La Figura 2c muestra la imagen TEM de un ZnO NW individual, que es una estructura monocristalina y la dirección de crecimiento de [001], como lo confirma la imagen TEM de resolución atómica en la Fig. 2d.

un Vista superior y b Imágenes SEM transversales de matrices de ZnO NW fabricadas mediante el método DC-DEP. c Imagen TEM de ZnO NW. d La imagen TEM de resolución atómica de ZnO NW corresponde al cuadrado rojo en c . El recuadro son los patrones SAD de ZnO NW

La concentración de la suspensión original de ZnO NW se estimó en aproximadamente 2,5 × 10 ⁶ # / μl. La suspensión original de ZnO NW se diluyó 20x y se dejó caer sobre los electrodos de Au / Ti separados con una polarización de CC de 1 a 7 V en el proceso de alineación DEP. Los NW de ZnO se alinean a través de los electrodos de Au / Ti, paralelos entre sí a un voltaje de 1 a 3 V; la densidad de los NW de ZnO alineados aumentó con el sesgo aplicado (archivo adicional 1:Fig. S1). Sin embargo, cuando la polarización aplicada excedió los 4 V, los electrodos se rompieron fácilmente (archivo adicional 1:Fig. S2). La densidad de los ZnO NW alineados se controló variando la concentración de la suspensión de ZnO NW. Por lo tanto, para fabricar un dispositivo individual de ZnO NW con el fin de medir sus propiedades eléctricas, se utilizaron diferentes concentraciones de suspensiones de ZnO NW a voltajes aplicados de 1, 2 y 3 V. La Figura 3 traza las curvas I – V del individuo fabricado. Dispositivos ZnO NW con voltajes de 1, 2 y 3 V aplicados al electrodo de drenaje en el proceso de alineación DEP. El comportamiento de rectificación se observó cuando el voltaje aplicado fue de 3 V. Las curvas I – V de aproximadamente el 70% de los dispositivos exhibieron un comportamiento de rectificación y las de otros dispositivos tuvieron resistencia de contacto. Cuando el voltaje aplicado era inferior a 2 V, casi todos los dispositivos tenían una alta resistencia de contacto.

Curvas I – V del dispositivo ZnO NW individual con voltajes de 1, 2 y 3 V aplicados al electrodo de drenaje en el proceso de alineación DEP

La Figura 4 muestra la imagen SEM del dispositivo ZnO NW individual que se fabricó usando un voltaje de 3 V en el proceso de alineación y exhibió una característica IV rectificadora. Las imágenes TEM y el análisis de difracción de electrones de área seleccionada (SAED) de este dispositivo rectificador se muestran en la Fig. 5. Las estructuras cristalinas en los lados de fuente y drenaje y en el medio del nanoalambre eran todas iguales a las del ZnO NW antes de la alineación. lo que implica que el proceso de alineación no causa un daño estructural significativo a los nanoobjetos. Para comprender por qué la curva I-V exhibió un comportamiento rectificador, la composición química de las interfaces ZnO / Au en ambos extremos del ZnO NW se determinó mediante espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS), como se muestra en la Fig. 6 El perfil de concentración-distancia de Au implica que el Au se difundió desde el electrodo al ZnO NW. Ambas concentraciones atómicas de Zn y O aproximadamente a 60-140 nm de la interfaz ZnO / Au fueron aproximadamente del 50%. Hacia la interfaz, la concentración de Zn primero aumentó ligeramente y luego disminuyó rápidamente, mientras que la concentración de O disminuyó lentamente. Inferimos las siguientes razones. La interfaz ZnO / Au exhibió resistencias de contacto cuando el ZnO NW se adsorbió en ambos electrodos de Au en el proceso de alineación DEP. La temperatura de los contactos NW / electrodo aumentó con el flujo de alto flujo de electrones a través de los contactos debido al calentamiento Joule [20], lo que provocó que los átomos de Au se difundieran desde los electrodos de Au hacia los NW internos de ZnO. Los átomos de Zn fueron empujados al interior de ZnO NW y se formaron vacantes de Zn.

Imagen SEM del dispositivo ZnO NW individual que se fabricó con un voltaje de 3 V en el proceso de alineación y exhibió una característica IV rectificadora

un Imágenes TEM del dispositivo individual de ZnO NW que se fabricó con un voltaje de 3 V en el proceso de alineación y exhibió una característica de IV rectificadora. La imagen de TEM atómico del lado del drenaje de ZnO NW y el área corresponde al cuadrado de la izquierda en a . La imagen de TEM atómico de la mitad de ZnO NW y el área corresponde al cuadrado del medio en a . La imagen de TEM atómico del lado de la fuente de ZnO NW y el área corresponde al cuadrado de la derecha en a

La composición química de las interfaces ZnO / Au en ambos lados del ZnO NW se determinó mediante espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS). Las imágenes TEM de la a desagüe y b lados de la fuente de ZnO NW. c Los perfiles de distancia de concentración de Zn, O y Au a lo largo de la c AA ′ y d BB ′ se muestran en a , b , respectivamente

La Figura 6 indica que la concentración de Au en el lado del drenaje es más alta que en el lado de la fuente, lo que indica que la temperatura en el lado del drenaje era más alta que en el lado de la fuente debido al efecto de calentamiento asimétrico de Joule. Además, algunos dispositivos que se fabricaron con una polarización de CC de 3 V se deformaron en el lado del drenaje, como se muestra en el archivo adicional 1:Fig. S3. Para los dispositivos que se fabricaron con polarización aplicada de 5 V y 7 V CC, las regiones del ánodo se dañaron gravemente al derretir luego las regiones del cátodo, como se muestra en el archivo adicional 1:Fig. S2. Estos fenómenos también indican que el calentamiento Joule fue asimétrico.

Para investigar las propiedades de fotosensibilidad del dispositivo rectificador basado en ZnO NW, se iluminó verticalmente luz UV de 365 nm con diversas intensidades sobre los dispositivos mientras se registraban las características de fotorrespuesta correspondientes. La Figura 7a traza las curvas I – V de este dispositivo, lo que revela que la fotocorriente podría inducirse. La figura 7b, c muestra la fotorrespuesta dependiente del tiempo de este dispositivo rectificador bajo iluminaciones periódicas. Se logró una mayor sensibilidad cuando el dispositivo exhibía polarización inversa. La fotosensibilidad (S) se calculó utilizando la siguiente ecuación [21],

donde yo _{UV / Vis} y yo _oscuro son las corrientes que se midieron bajo iluminación y en la oscuridad, respectivamente. El tiempo de respuesta y el tiempo de recuperación se definen como los tiempos necesarios para que el sensor alcance el 90% de su resistencia constante y vuelva al 10% del valor. [22] Como se muestra en la Fig. 7b, cuando el dispositivo estaba bajo excitación UV a + 3 V en el modo de polarización directa, la corriente aumentó de ~ 2.5 a ~ 5.75 μA. La sensibilidad fue de 2,3 y los tiempos de respuesta y recuperación fueron de 1,8 sy 4,9 s, respectivamente. Por otro lado, cuando el dispositivo estaba bajo excitación de luz ultravioleta a - 3 V en modo de polarización inversa, como se muestra en la Fig. 7c, la corriente aumentó abruptamente de 0,1 a 200 nA. La sensibilidad fue 2000, que fue 870 veces mayor que la del dispositivo en modo de polarización directa. El tiempo de respuesta y los tiempos de recuperación fueron 0,1 y 0,145 s, respectivamente, que fueron mucho más cortos que los del modo de polarización directa. El detector Pt (Ga) -ZnO NW-Pt Schottky preparado por Zhou et al. [13] exhibe la sensibilidad de 1500 a 1 V en modo de polarización inversa bajo radiación UV de 365 nm. El tiempo de respuesta y los tiempos de recuperación fueron 0,6 y 6 s. En comparación con su dispositivo, el dispositivo de este trabajo tiene una mayor velocidad de respuesta y recuperación y un proceso de fabricación más simple. Por tanto, se puede considerar que este método fabrica otros diodos Schottky basados ​​en nanocables semiconductores. La Figura 7d muestra la fotocorriente ( I _P ) de un sensor basado en ZnO-NW a - 3 V en modo de polarización inversa puede coincidir con una ley de potencia simple, I _P ∝ P ^0,64 , donde P es la intensidad de la luz. El exponente no unitario es el resultado del complejo proceso de generación de huecos de electrones, atrapamiento y recombinación dentro del semiconductor. [23]

un Curvas I – V de un sensor basado en ZnO-NW bajo irradiación de luz de 365 nm de diferentes intensidades. b Fotorrespuesta resuelta en el tiempo de un sensor basado en ZnO-NWs a + 3 V en modo de polarización inversa bajo iluminación UV blanca al encender y apagar. c Fotorrespuesta resuelta en el tiempo de un sensor basado en ZnO-NWs a - 3 V en modo de polarización inversa bajo iluminación ultravioleta blanca encendiendo y apagando. d Fotocorriente de un sensor basado en ZnO-NW a - 3 V en modo de polarización inversa en función de la intensidad de la luz y la curva de ajuste correspondiente utilizando la ley de potencia

En este trabajo, los dispositivos tienen la estructura metal-semiconductor-metal (M-S-M). El oxígeno se adsorbe en la superficie de ZnO en el aire y captura los electrones libres, lo que provoca la región de agotamiento cerca de la superficie. Cuando la polarización de CC aplicada fue inferior a 2 V en el proceso de alineación DEP, ZnO NW simplemente se adsorbió físicamente en el electrodo de Au. La interfaz Au / Zn tiene una gran resistencia de contacto debido a la formación de contactos Schottky. El diagrama de energía se muestra en la Fig. 8a. Por lo tanto, la corriente no puede fluir a través del dispositivo en la medición de la curva I – V como se muestra en la Fig. 3. Cuando la polarización aplicada subió a 3 V, se produjo un calentamiento asimétrico de Joule y el oxígeno se desorbió para formar una interfaz Au / ZnO. Simultáneamente, los átomos de Au se difundieron desde los electrodos de Au hacia los NW de ZnO y las vacantes de Zn generadas. Un estudio anterior [24] muestra que los NW de ZnO fabricados por el método hidrotermal eran semiconductores de tipo n con una función de trabajo de 5,28 eV debido a la formación de vacantes de O. En teoría, la interfaz Au / ZnO exhibió las características del contacto óhmico. Cuando la concentración de las vacantes de Zn era mayor que la de las vacantes de O, la característica del nanocable de ZnO se transformó de semiconductor de tipo n a tipo p porque las vacantes de Zn desempeñaban un papel similar al de un aceptor. Por lo tanto, la interfaz Au / ZnO transformó su propiedad eléctrica en contacto Schottky. [19] En este estudio, el calentamiento asimétrico de Joule provocó el contacto Schottky en el extremo del drenaje y el contacto óhmico en el extremo de la fuente, como se muestra en la Fig. 8b. Por lo tanto, si la polarización aplicada fue suficiente para inducir el calentamiento Joule (3 V), se obtuvo la curva IV rectificadora.

Diagramas de bandas de la estructura de Au / ZnO / Au. un El dispositivo formado por el proceso de alineación DEP con la polarización de CC aplicada de menos de 2 V. b El dispositivo formado por el proceso de alineación DEP con la polarización de CC aplicada de 3 V, c condiciones oscuras bajo sesgo inverso y d bajo iluminación con polarización inversa. λ es el ancho de agotamiento

Con respecto al rendimiento de la fotorrespuesta, el dispositivo rectificador en modo de polarización inversa tenía una alta sensibilidad y un tiempo de respuesta corto. El diagrama de bandas del dispositivo con un sesgo reveres en la oscuridad se muestra en la Fig. 8c. La gran región de agotamiento ( λ ) obstaculiza el flujo del portador y reduce la corriente oscura. Iluminación UV, el diagrama de bandas se muestra en la Fig. 8d. Los electrones fotogenerados creados en la región de agotamiento de la unión de Schottky con polarización inversa quedan atrapados en las regiones de agotamiento, que encogen la región de agotamiento. El electrón acumulado atraerá los agujeros del electrodo al nanoalambre. El estrechamiento de la región de agotamiento hace que los orificios formen un túnel en el semiconductor, lo que provoca la mejora de una ganancia de corriente mayor que la unidad y el aumento de la velocidad de transporte del orificio [23, 25, 26]. Además, la unión pn en el nanoalambre de ZnO forma una barrera potencial cuando el fotodetector tiene polarización inversa. Por lo tanto, las curvas I – V del dispositivo bajo irradiación de luz de 365 nm no eran lineales, como se muestra en la Fig. 7a.

En estudios anteriores [17, 18], se han fabricado dispositivos rectificadores alineando ZnO NW en electrodos emparejados utilizando alineación DEP y su comportamiento de rectificación fue el resultado de la formación de contactos asimétricos en el proceso de alineación DEP. Sin embargo, la dirección de la rectificación fue aleatoria. En nuestro estudio anterior [20], las características de rectificación I – V de estos dispositivos se obtuvieron en el proceso de medición de la curva I – V, y la dirección de rectificación se determinó mediante la dirección de barrido de voltaje. En este estudio, se utilizó un proceso de fabricación simple. El dispositivo fue fabricado por CC en un proceso de ensamblaje inducido por campo eléctrico y la dirección de rectificación fue determinada por la dirección de la corriente.