Pt 전극에 걸친 유전영동 정렬에 의해 형성된 실리콘 나노와이어 기반 장치에 대한 비대칭 국부 줄 가열 효과

결과 및 토론

그림 2a, b는 NSL과 결합된 MACE를 통한 Si NW 어레이의 평면도 및 단면 SEM 이미지를 각각 보여줍니다. 균일한 기하학적 구조를 가진 Si NW는 직경이 150~200nm이고 길이가 5~6um입니다. 그림 2c는 단결정 구조의 Si NW의 TEM 이미지로 그림 2d의 선명한 격자 이미지로 확인된 [100]의 우선 식각 방향을 갖는다.

아 상위 뷰 및 b NSL과 결합된 MACE에 의해 제작된 Si NW 어레이의 단면 SEM 이미지. ㄷ 합성된 Si NW의 TEM 이미지. d 합성된 Si NW의 원자 분해능 TEM 이미지는 c의 빨간색 사각형에 해당합니다. . 삽입은 Si NW의 SAD 패턴입니다.

Si NW의 전기적 전송을 연구하기 위해 DEP 정렬 프로세스에서 드레인 전극에 + 0.5V DC를 인가하여 금속-나노와이어-금속 구조의 실리콘 나노와이어 기반 소자를 제작했습니다. Pt 전극을 가로지르는 Si NW 정렬의 평면도는 그림 3과 같이 SEM 이미지에서 명확하게 볼 수 있습니다. 여기서 Si NW는 서로 평행합니다. 정렬된 Si NW의 밀도는 IPA 용액의 NW 농도를 통해 제어할 수 있습니다. 장치의 전기적 특성을 측정하기 위해 두 가지 다른 방법이 사용되었습니다. 방법 1 측정의 경우, 전압이 양극에서 음극으로 스위핑하여 드레인 전극에 인가될 때 I-V 곡선을 측정했습니다. 방법 2 측정의 경우, 전압이 음에서 양으로 스위핑하여 드레인 전극에 인가될 때 I-V 곡선을 측정했습니다. 놀랍게도 장치에는 정류 동작이 있으며 정류 방향은 추가 파일 1:그림 S1과 같이 전압 스윕 방향에 의해 결정될 수 있습니다. 이러한 현상을 이해하기 위해 소자의 드레인 전극에 다양한 범위의 스위프 전압을 인가하여 I-V 곡선을 측정하였다. 스위핑 속도는 그림 4에 나와 있습니다. 그림 5a는 전압이 + 1에서 - 1 V, + 2에서 - 2 V, + 3에서 -로 스위핑하여 전압이 드레인 전극에 인가될 때 IV 곡선이 측정되었음을 보여줍니다. 그림 5a의 삽입 그림과 같이 순서대로 3V입니다. 넓은 전압 범위에서 소자를 측정할수록 정류 거동이 더욱 뚜렷하게 나타난다. 그림 5b에서 두 번째로 + 1에서 - 1 V로 스위핑하여 드레인 전극에 전압을 인가했을 때 I-V 적색 곡선을 추가로 측정했습니다. 순방향 전류는 0.75V에서 9.2nA였습니다. 역전류는 약 0.044nA였습니다. on-to-off 전류비는 약 200 정도이다. 앞서 Fig. 5a와 같이 on-to-off로 동일한 전압 범위에서 측정한 IV black curve에 비해 소자가 더 정류되는 것을 알 수 있다. 7.7의 현재 비율. 반대의 정류 IV 곡선은 그림과 같이 - 0.5에서 + 0.5 V, - 1에서 + 1 V, - 2에서 + 2 V 순으로 스윕하여 드레인 전극에 전압을 인가했을 때 생성될 수 있습니다. 그림 5c의 삽입. 또한 그림 5c에 표시된 더 큰 스윕 전압 범위에서 보다 분명한 정류 동작을 보여줍니다. 그림 5d에서 두 번째로 - 0.5에서 + 0.5 V로 스위핑하여 드레인 전극에 전압을 인가했을 때 I-V 빨간색 곡선을 추가로 측정했습니다. 비정류에서 정류 동작으로의 전환은 그림 5c에 표시된 동일한 전압 범위에서 이전에 측정된 I-V 흑색 곡선과 비교하여 관찰할 수 있습니다. 위의 I-V 특성 곡선은 Si NW 기반 소자의 정류 거동이 DEP 정렬 대신 전기적 측정 과정에서 생성되었음을 시사합니다. 또한 정류 방향은 전압 스위프 방향에 의해 결정될 수 있음을 발견했습니다. 비정류에서 정류로 전환한 후 전압 스윕 방향이 무엇이든 장치는 동일한 정류 방향을 가졌습니다.

Pt 전극에 걸쳐 평행하게 정렬된 Si NW의 SEM 이미지. DC-DEP 정렬의 드레인에 + 0.5V DC 전압이 적용되었습니다.

음극에서 양극으로(검은색 선), 양극에서 음극으로(빨간색 선) 스위핑하여 드레인 전극의 전압 스위핑 속도

Pt 전극에 걸친 병렬 Si NW의 전기적 특성. 아 삽입된 그림과 같이 양의 바이어스에서 음의 바이어스로 스위핑하여 전압이 드레인 전극에 인가되었을 때 병렬 Si NW의 I-V 곡선. Pt 전극에는 24개의 평행한 NW가 있습니다. ㄴ 첫 번째 스윕(검은색 선)과 두 번째 스윕(빨간색 선)에서 + 1부터 − 1 V까지 측정된 I-V 곡선. c 삽입된 그림과 같이 음의 바이어스에서 양의 바이어스로 스위핑하여 전압이 드레인 전극에 인가되었을 때 병렬 Si NW의 I-V 곡선. Pt 전극에는 18개의 평행한 NW가 있습니다. d − 0.5 ~ + 0.5 V

또한, 그림 5a, c와 같이 각각 + 3에서 - 3 V로, - 2에서 + 2 V로 Sweep하여 드레인 전극에 전압을 인가했을 때 지그재그 모양의 I-V 곡선을 명확하게 볼 수 있습니다. 이 현상은 Pt 전극에 인가되는 전압이 증가함에 따라 Si NW를 통해 흐르는 전류에서 기인하는 비대칭 줄 가열 효과에 의해 설명될 수 있습니다. 비대칭 줄 가열 효과는 전극 사이의 불균일한 온도 분포로 인해 발생하며 양극 영역의 온도가 음극 영역보다 높습니다[26]. I-V 곡선 측정의 경우 3V 인가 전압에서의 전류는 그림 5 및 추가 파일 1:그림 S1과 같이 약 수백 나노암페어이며, 이는 ref. [26]. 그러나 Si NW의 직경은 약 100nm로 ref. [26]. 또한, DEP 정렬 방식으로 전극에 나노와이어가 흡착되기 때문에 접촉면적이 나노와이어의 단면적보다 훨씬 작을 수 있다. 따라서 NW-전극 접점의 전류 밀도는 줄 가열을 일으킬 만큼 충분히 높을 수 있습니다. 이는 그림 6a, b에서와 같이 Si NWs DEP 정렬을 위해 드레인 전극에 각각 + 3 및 - 3 V DC를 인가한 후에도 확인할 수 있습니다. 두 그림 모두 음극 영역에 비해 양극 영역이 용융에 의해 심하게 파괴되었음을 나타냅니다.

아 + 3 V DC 전압을 Si NW 정렬을 위해 드레인 전극에 인가한 후 Si NW 기반 소자의 SEM 이미지. ㄴ Si NW 정렬을 위해 드레인 전극에 - 3 V DC 전압을 인가한 후의 Si NW 기반 소자의 SEM 이미지. 흰색 점선은 DEP 정렬 프로세스 전의 전극 가장자리를 나타냅니다.

장치의 I-V 곡선을 환원 분위기에서 측정했을 때 (H₂ /Ar), 추가 파일 2:그림 S2(a)와 같이 큰 전압 범위(- 3 ~ 3V)에서 스위핑하여 정류 특성을 얻지 못했습니다. I-V 곡선은 대칭적이고 거의 선형이며, 이는 나노와이어와 두 전극 사이의 경계면에서 단지 작은 장벽을 나타냅니다. 그러나 Pt의 일함수(~ 6.1eV)가 n형 Si(~ 4.15eV)보다 크기 때문에 Pt와 n-Si는 Pt/n형 Si 접점에서 이론적으로 쇼트키 장벽을 형성할 수 있습니다. 이 연구에서 나노와이어는 DEP 정렬 방법에 의해 전극에 흡착됩니다. 따라서 장벽 높이의 변화는 Si 표면의 가스 흡착으로 인한 것일 수 있습니다. 큰 전압 범위에서 스위프한 후 I-V 곡선의 기울기가 추가 파일 2:그림 S2(b)와 같이 증가했습니다. 이는 환원 가스에서 넓은 전압 범위 스위핑 측정이 두 NW 전극 접점의 저항을 감소시킬 수 있음을 나타냅니다. 그러나 O₂를 포함하는 공기 및 H₂ O는 산화성 분위기이다. 공기 중에서 Si의 산화율은 저온에서보다 고온에서 더 높다. 따라서 우리는 공기 중 큰 전압 범위 스위핑 측정의 경우 양극 영역에서 장벽 높이의 증가가 얇은 산화된 SiOx의 형성으로 인한 것임을 추론할 수 있습니다. 전자 트래핑 사이트를 나타내는 인터페이스의 레이어입니다.

그림 7은 비대칭 줄 가열 처리 전후의 Si NW 기반 장치의 개략적인 에너지 밴드 다이어그램을 보여줍니다. 처음에 Pt와 n-Si는 DEP 정렬 후 NW의 양쪽 끝에 작은 동일한 장벽 높이를 형성합니다. 전압이 양에서 음으로(방법 1에서) 또는 음에서 양으로 바이어스(방법 2에서) 스위핑하여 드레인 전극에 인가될 때 비대칭 줄로 인해 고온 양극 측의 장벽 높이가 동시에 조정됩니다. 난방 효과. 즉, 그림 5에 표시된 정류 I-V 특성에서 추론할 때 장벽 높이가 증가하고 장치의 정류 동작을 지배하게 됩니다.

DC-DEP 정렬 후 n형 Si/Pt 접점에 대한 개략적인 에너지 밴드 다이어그램(상단 중앙). 장치는 방법 1(왼쪽)에서 양의 바이어스에서 음의 바이어스로, 방법 2(오른쪽)에서 음에서 양의 바이어스로 스위핑하여 전압이 드레인 전극에 인가될 때 비대칭 줄 가열 프로세스를 거쳤습니다.

이 경우 정류 Si NW 기반 장치의 광감지 특성을 조사하기 위해 강도가 825mW/cm인 광대역 백색광 ² 그림 8a에 표시된 것처럼 해당 광 응답 특성이 기록되는 동안 장치에 수직으로 표시되었습니다. 그림 8b는 어두운 곳(검은색 곡선) 및 광대역 백색광 조사(빨간색 곡선)에서 이 기기의 I-V 곡선을 보여줍니다. 이것은 광전류가 유도될 수 있음을 보여주고, 소자가 그림 8b의 삽입과 같이 역 I-V 특성을 나타낼 때 더 높은 감도가 달성됨을 나타낸다. 장치를 켜고 끄는 방식으로 백색광에 노출되었을 때 시간에 따른 광반응 거동을 조사했습니다. 그림 8c에서 볼 수 있듯이 순방향 바이어스 모드에서 + 0.75V의 백색광 여기 상태에서 전류는 15초 이내에 20nA에서 35nA로 증가했으며 이는 75%만 개선되었습니다. 백색광을 끄면 전류가 30초 이내에 초기값으로 감소했습니다. 반면에 그림 8d와 같이 역 바이어스 모드에서 - 0.75V의 백색광 여기 상태에서 기기가 64ms 이내에 40pA에서 430pA로 급격히 증가하여 최대 13배 증가했습니다. 순방향 바이어스 모드의 장치보다 큽니다. 또한 백색광이 꺼진 순간에 불과 48ms 이내에 포화 상태에서 초기값으로 전류가 감소하여 더 높은 회복률을 관찰할 수 있습니다.

아 825mW/cm ² 강도의 백색광 조명에서 Si NW 기반 센서의 개략도 . ㄴ 어둡고 백색광 조명에서 Si NW 기반 센서의 I-V 곡선. 삽입된 부분은 해당 I-V 속성을 반대수 규모로 보여줍니다. ㄷ 켜고 끄기를 통해 백색광 조명 아래 순방향 바이어스 모드에서 + 0.75V의 Si NW 기반 센서의 시간 분해 광응답. d − 0.75V에서 Si NW 기반 센서의 시간 분해 광응답(스위치 켜기 및 끄기에 의한 백색광 조명 아래 역 바이어스 모드). 준비된 장치는 그림 5a, b의 전기적 수송 특성 측정을 수행하기 위한 장치와 동일하였다.

광 응답 성능 측면에서 이러한 결과의 불일치는 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 장치가 순방향 바이어스 모드에 있을 때 공핍 영역 너비가 감소하고 전류 흐름이 향상되어 백색광에 대한 감도가 낮아집니다. 그러나 반대로 역 바이어스 모드의 장치는 강한 내장 전기장이 존재하는 더 큰 공핍 영역을 갖습니다. 광 생성된 전자와 정공은 백색광 조명 하에서 효율적으로 분리되고 전자-정공 재결합 속도를 감소시켜 자유 캐리어 밀도의 급격한 증가를 초래할 수 있습니다. 따라서 정류 장치는 응답률이 높은 특성을 가지고 있습니다. 그러나 이전 연구[27, 28]에서는 하나의 Ohmic 접촉 전극과 다른 Schottky 접촉 전극을 갖는 정류 소자를 다양한 전극 재료를 선택하여 제작하였다. 본 연구에서는 쉬운 제조공정을 사용하였다. 유전 영동 정렬에 의해 형성된 NW 소자의 정류 거동은 전기적 측정 과정에서 비대칭 줄 가열에 의해 얻어졌습니다.