개별 Si 나노와이어에서 조사된 광전 특성 및 크기 의존성

결과 및 토론

단일 Si NW의 광전도 특성 측정

레이저 조사와 결합하여 Si NW의 광전도 특성은 레이저 강도의 함수로 PCAFM에 의해 조사됩니다. − 1.5V의 샘플 바이어스에서 서로 다른 레이저 조사에서 직경 190nm, 길이 800nm의 Si NW에서 얻은 일반적인 전류 이미지는 그림 2a에 표시된 지형 이미지와 함께 그림 2b–f에 나와 있습니다. . 팁이 바닥에 닿지 않는 큰 각도의 쐐기형으로 특히 접촉 모드에서 이미지를 얻었기 때문에 관찰된 나노와이어가 다소 왜곡되어 나노와이어의 상단면의 전류만 측정할 수 있습니다. 어쨌든 현재 이미지에서 개별 나노와이어의 전류 분포를 명확하게 관찰할 수 있습니다. 레이저 조사가 없는 현재 이미지(그림 2b)에서 Si NW는 중심보다 대부분의 가장자리에서 약간 더 나은 전도율을 나타내며, 이는 팁과 나노와이어 사이의 측면 접촉 면적이 더 넓기 때문입니다[40]. 레이저 조사에서 Si NW의 전류는 레이저 강도에 따라 분명히 증가하는 반면(그림 2c, d), 나노와이어의 전도성 영역은 이에 따라 증가합니다. 광전류와 레이저 강도 사이의 뚜렷한 관계를 얻기 위해 Si NW의 평균 전류는 전류 맵의 모든 나노와이어에 대해 계산되며, 이는 레이저 강도의 함수로 그림 2g에 표시됩니다. 결과는 레이저 강도가 0에서 8W/cm ² 로 증가함에 따라 평균 전류가 약 2배(85에서 146pA로) 증가함을 보여줍니다. , 레이저 조사에서 더 많은 캐리어가 생성되었음을 나타냅니다.

지형(a ) 및 b의 서로 다른 레이저 강도에서 길이가 800nm이고 직경이 190nm인 Si NW의 현재 이미지 0, c 2, d 4, e 6 및 f 8W/cm ² . 지 평균 전류(I _av ) 레이저 강도의 함수로서 나노와이어에 대해. 아 레이저 강도의 함수로 광반응을 보여줍니다.

이전 연구[32, 48]에서 광반응은 일반적으로 광검출기의 응답 능력을 설명하기 위해 적용되었으며 다음과 같이 정의되었습니다.

나 _L 그리고 나 _D 는 각각 레이저 조사가 있는 전류와 없는 전류입니다. 피 _주식 팁과 샘플 사이의 접촉 면적의 유효 면적으로 나눈 입사 레이저 출력 밀도의 곱, q 기본 요금 및 hν 광자 에너지이다. 우리의 경우 효과 접촉 면적은 약 2 × 10 ^–11 입니다. cm ² 팁 반경 25nm를 사용하여 결과적으로 Si NW의 광응답은 2W/cm ² 의 레이저 강도에서 약 2.3으로 계산될 수 있습니다. , Si NW가 우수한 사진 향상 기능을 가지고 있음을 나타냅니다. 그림 2h는 레이저 강도의 함수로 광 응답을 나타내며 레이저 강도가 증가함에 따라 광 응답이 감소하지만 모든 값은 여전히 ​​1보다 큰 것을 볼 수 있습니다. 따라서 위의 결과는 레이저 조사가 크게 향상될 수 있음을 보여줍니다 Si NW의 전도도는 광검출기에서 유망한 응용 가능성을 시사합니다.

광전도 특성의 크기 의존성을 조사하기 위해 직경과 길이가 다른 Si NW에서 광전류 측정을 수행했습니다. 350nm의 길이와 190~350nm의 직경이 다른 Si NW의 일반적인 현재 이미지는 추가 파일 1에 나와 있습니다. 0, 4 및 8W/cm ² 아래의 그림 S1 - 1.5V의 동일한 샘플 바이어스에서 레이저 조사. 현재 이미지의 모든 나노와이어에 대해 계산된 Si NW의 평균 전류는 레이저 강도의 함수로 그림 3a에 표시됩니다. 모든 직경의 Si NW의 전도도는 레이저 강도가 증가함에 따라 분명히 증가함을 알 수 있습니다. 동일한 레이저 강도에서 직경이 350nm에서 190nm로 감소함에 따라 절대 전류 값이 크게 증가합니다. 이러한 결과는 더 작은 직경을 가진 Si NW가 더 큰 직경을 갖는 것보다 더 전도성이 있음을 시사한다. 레이저 강도에 대한 평균 광 응답은 다양한 직경에 대해 그림 3b에 나와 있습니다. 직경이 증가함에 따라 광 응답이 감소한다는 것을 알 수 있습니다. 이는 직경이 작은 Si NW가 더 나은 광 응답 능력을 갖는다는 것을 의미합니다. 한편, 광전류(I _L − 나 _D ) 8W/cm ² 의 레이저 강도에서 다른 직경의 경우 그림 3c에 나와 있습니다. 직경이 증가함에 따라 광전류가 감소함을 명확하게 보여주므로 직경이 작은 Si NW가 더 나은 광전도도를 나타냅니다.

아 평균 전류(I _av ) 레이저 강도의 함수로 직경이 다른 Si NW. ㄴ 직경의 함수로서 레이저 강도에 대한 평균 광응답. ㄷ 8W/cm ² 의 레이저 강도에서 직경에 대한 광전류의 의존성 . d 나 _av 레이저 강도의 함수로 길이가 다른 Si NW. 이 길이의 함수로서 레이저 강도에 대한 평균 광응답. 에 8W/cm ² 레이저 강도에서 길이에 따른 광전류 의존성

직경은 같지만 길이가 다른 Si NW에 대해 유사한 측정이 수행됩니다. 직경이 190nm이고 길이가 350~960nm인 나노와이어의 결과는 추가 파일 1:그림 S2에 나와 있습니다. 길이가 다른 나노 와이어의 평균 전류는 그림 3d에 나와 있습니다. 레이저 강도가 증가함에 따라 모든 나노와이어가 컨덕턴스가 분명히 증가했으며 Si NW가 짧을수록 최대 8W/cm ² 레이저 강도 범위에서 더 큰 컨덕턴스가 나타납니다. . 8W/cm ² 레이저 강도에서 나노와이어 길이의 함수로서의 광반응 및 광전류 각각 그림 3, f에 나와 있습니다. 길이가 350nm에서 960nm로 증가함에 따라 광응답은 명백한 길이 의존성을 나타내지 않는 반면 광전류는 길이가 증가함에 따라 크게 감소함을 알 수 있습니다.

I-V 곡선 분석 및 크기 종속 쇼트키 장벽 높이

우리의 이전 연구[40]에서 보고된 바와 같이, Si NW에 대한 CAFM 측정에서 쇼트키 장벽이 중요한 역할을 하는 팁-나노와이어 접촉 저항을 강조해야 합니다. 광전도에서 쇼트키 장벽의 역할과 장벽 높이에 대한 레이저 조사의 영향을 조사하기 위해 개별 Si NW에 전류-전압(I-V) 곡선이 기록됩니다. 직경이 190nm이고 길이가 800nm인 Si NW의 일반적인 I-V 곡선은 다양한 레이저 조사에서 그림 4a에 나와 있습니다. 모든 I-V 곡선은 금속 및 n형 반도체 접촉의 전형적인 I-V 특성을 나타내며, 이는 컨덕턴스에 대한 산소 층의 영향이 심각하지 않으므로 다음 논의에서 무시됨을 나타냅니다. 레이저 강도가 증가함에 따라 Si NW의 전류가 분명히 증가함을 관찰할 수 있습니다. 레이저 강도가 0에서 8W/cm ² 로 증가하면 향상 효과는 약 3배에 달할 수 있습니다. 현재 이미지에서 얻은 결과와 잘 일치하는 -1.5V의 바이어스에서 정량적 분석을 위해 잘 알려진 금속-반도체 접촉에 대한 열이온 방출 모델이 채택되었다[13, 49]. 이 모델에서 직렬 저항이 있는 n형 반도체에 대한 쇼트키 접촉의 I-V 특성은 [13]과 같이 근사할 수 있습니다.

여기서 n 이상적인 요소이며 R _S 는 직렬 저항입니다. 나 _S 는 포화 전류이며 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

여기서 A 는 접촉 면적, \(A^{*}\)는 Richardson 상수, φ _나 는 금속 팁과 Si 나노와이어 사이의 쇼트키 장벽 높이(SBH)입니다. 따라서 SBH는 다음 공식으로 얻을 수 있습니다.

아 다양한 레이저 조사에서 직경이 190nm이고 길이가 800nm인 Si NW의 일반적인 I-V 곡선입니다. ㄴ a의 IV 곡선 피팅에서 얻은 SBH 값 . 8W/cm ² 미만의 직경 및 길이에 따른 SBH 값 레이저 조사는 c에 표시됩니다. , d , 각각

그림 4a의 I-V 곡선은 Eq. (2). 포화 전류에서 SBH 값을 얻기 위해 유효 Richardson 상수 \(A^{*}\)는 벌크 실리콘의 상수와 거의 같다고 가정합니다. 즉, 112A cm ⁻² K ⁻² n형 실리콘의 경우. 접촉 면적은 2 × 10 ^–11 로 가정합니다. cm ² Cr/Pt 코팅된 팁 반경을 25nm로 취함으로써 SBH 값은 0, 2, 4, 6 및 8 W/cm ² 의 서로 다른 레이저 강도에 대해 약 474, 453, 437, 429 및 416meV로 얻습니다. , 각각 그림 4b에 표시된 대로. 이는 SBH가 레이저 강도에 따라 크게 감소함을 보여주며, 이는 광향상 전도도의 주요 원인이 될 수 있습니다. 한편, 동일한 레이저 강도에서 나노와이어의 직경과 길이에 대한 SBH 의존성은 각각 그림 4c, d에 나와 있습니다. 결과는 더 작은 직경과 더 짧은 길이를 갖는 Si NW가 더 작은 SBH 값을 가지며, 그 결과 이러한 나노와이어에서 더 나은 광전도도를 얻을 수 있음을 나타냅니다. 다른 레이저 조사에서 SBH의 직경과 길이 의존성은 추가 파일 1:그림 S3에 나와 있으며, 이는 위의 결론을 추가로 뒷받침합니다. 분명히, 직경과 길이가 다른 Si NW에 대해 측정된 모든 SBH 값은 벌크 Si(~ 600meV)의 것보다 작으며 [40] 레이저 강도가 증가함에 따라 더 감소하여 Si NW가 유망한 광전도 특성을 달성할 수 있음을 나타냅니다. 잠재적인 응용 프로그램을 위해.

따라서 위의 결과로부터 Si NW의 광전도 특성은 직경과 길이에 크게 의존한다는 결론을 내릴 수 있습니다. 즉, 직경이 더 작고 길이가 짧은 Si NW는 더 나은 광전도성을 나타내며, 이는 I-V 곡선 피팅에 의해 밝혀졌습니다. SBH의 크기 의존성에 대한 정확한 메커니즘은 아직 명확하지 않습니다. 거친 외층의 경계 상태 및/또는 무질서한 구조와 관련이 있을 수 있습니다. 이전 연구[50,51,52]에 따르면 충전된 인터페이스 상태는 SBH를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 참고문헌[50]에서, Yoon et al. 계면 상태에 의해 유도된 캐리어 전달은 음으로 대전된 표면 상태와 동일한 수의 양전하를 갖는 두 개의 반대 전하 층을 형성하여 내장 전기장과 반대되는 전기장을 생성할 수 있다고 가정하여 결과적으로 나노와이어의 직경에 크게 의존하는 SBH. 유한 요소 모델링을 사용하고 나노와이어를 원통형 동축 커패시터로 취급함으로써 그들은 나노와이어 직경이 감소함에 따라 장벽 저하의 크기가 증가한다는 것을 발견했습니다. 우리의 경우 MACE로 제작된 나노와이어의 거친 표면으로 인해 금속 팁과 접촉할 때 큰 밀도의 계면 상태가 생성되어 위의 관점을 채택하여 장벽 높이를 효과적으로 낮출 수 있습니다. 표면 상태 밀도는 나노와이어 직경이 감소함에 따라 증가하고, 더 작은 직경을 갖는 나노와이어에서 더 작은 SBH를 달성할 수 있다. 따라서 직경이 작은 Si NW는 더 큰 컨덕턴스를 나타냅니다. SBH는 모든 직경에 대해 레이저 강도에 따라 감소하기 때문에 더 작은 직경의 Si NW도 더 큰 광전도도를 나타냅니다.

그러나 SBH의 값이 길이 의존적인 이유는 이러한 관점에서 해석될 수 없었다. 더 긴 나노와이어는 제작하는 데 더 많은 MACE 시간을 필요로 하므로 더 많은 표면 무질서 또는 거칠기가 발생합니다. 표면 미세 구조의 다른 변화는 SBH 값의 다른 변화를 유발할 수 있으며, 이를 해결하기 위해 추가 조사가 필요합니다. 어쨌든, 광전도 특성의 크기 의존성의 기원이 무엇이든, 크기 의존적 SBH 감소는 더 높은 전도도 또는 광전도도를 초래할 수 있으며, 이는 실제 적용에 도움이 될 것입니다.

포토 생성 갇힌 전하 및 장벽 높이 수정

PCAFM으로 얻은 Si NW의 SBH 결과를 추가로 확인하기 위해 그림 5a-d와 같이 EFM 이미지를 다양한 레이저 조사에서 Si NW에서 측정했습니다. 정전기력으로 인한 위상 변이(ΔΦ ) 레이저 강도에 따라 분명히 증가합니다. 나노와이어의 상단 중앙에서 라인 스캔 모드에서 획득한 위상 변이 이미지는 그림 5e에 표시되고 표시된 곡선을 따라 스캔 라인에 대한 평균 위상 변이는 그림 5f에 그려집니다. 둘 다 ΔΦ의 증가를 분명히 나타냅니다. 레이저 강도로.

Si NW의 지형 이미지(a ), 0의 다른 레이저 강도에서 얻은 위상 변이 이미지(b ), 4(c ) 및 10W/cm ² (d ), 각각. 이 나노와이어의 상단 중앙에 라인 스캔 모드에서 획득한 위상 변이 이미지. e에 표시된 빨간색 곡선을 따라 스캔 라인에 대한 평균 위상 이동 f로 표시됩니다.

EFM 측정에서 더 확실한 정보를 얻으려면 ΔΦ 인가 전압(V _EFM ) 특정 단일 나노와이어에 다른 레이저 조사 하에서. ΔΦ 세트 ~ V _EFM 직경이 190nm이고 길이가 800nm인 Si 나노와이어에서 측정한 곡선은 그림 6a에 산점으로 표시되어 있습니다. 레이저 강도가 증가함에 따라 ΔΦ ~ V _EFM 곡선이 아래쪽으로 이동합니다. 이는 더 많은 캐리어가 생성되고 나노와이어에 갇히게 됨을 나타냅니다[45]. 정량적 분석의 경우 팁-샘플 시스템은 평면 커패시터로 간단히 처리되며, 팁과 샘플 사이에 바이어스를 적용할 때 용량성 정전기력 구배는 위상 변이를 유발합니다. 레이저 조사에 의해 나노구조에 포획된 전하로 쿨롱력에 의해 유도된 추가적인 위상 이동이 생성될 것이다[53]. EFM에 의해 감지된 위상 변이는 [54, 55]로 설명될 수 있습니다.

여기서 C , V _EFM 및 V _CPD 는 각각 팁과 샘플 사이의 정전용량, 인가된 DC 전압 및 접촉 전위차입니다. 질문 _s 나노와이어에 갇힌 전하의 양, Q 는 품질 요소이며 k 는 프로브의 스프링 상수이고 z 나노와이어에 갇힌 전하 사이의 거리입니다.

ΔΦ ~ V _EFM 그림 6a의 곡선은 식을 사용하여 잘 맞출 수 있습니다. (5) 실선으로 표시됩니다. 피팅 매개변수에서 V _CPD 및 Q _s Q를 사용하여 얻을 수 있습니다. =186 및 k =2.8 N/m Pt/Ir 코팅 팁 [56, 57] 및 근사 z 레이저 강도의 함수로 그림 6b에 표시된 리프트 높이입니다. 레이저 강도가 증가함에 따라 V _CPD 갇힌 전하가 감소하는 동안 Q _s 증가하다. 문헌[46]에 보고된 바와 같이 V _CPD 레이저 조사 하에서 갇힌 캐리어 밀도의 변화와 관련이 있습니다. 따라서 V의 감소 _CPD 우리의 실험에서 레이저 조사를 통해 갇힌 전하 밀도의 증가에 기인할 수도 있습니다.

아 ∆Φ ~ V _EFM 다양한 레이저 조사에서 직경 190nm 및 길이 800nm의 개별 Si NW에서 EFM으로 측정한 곡선. ㄴ 질문의 결과 및 V _CPD a의 곡선을 피팅하여 얻음 레이저 강도의 함수로. V의 직경 및 길이 의존성 _CPD 8W/cm ² 의 레이저 강도에서 c에 표시됩니다. , d , 각각

추가 파일 1:그림 S4에 제공된 에너지 다이어그램에서 SBH 값은 대략 qV와 같습니다. _CPD 플러스 E _n (=E _C − E _F ) [40]. E로 _n 동일한 재료로 만들어진 모든 Si NW에 대한 상수, V의 크기 의존성 _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/cm ² is shown in Fig. 6c, d, respectively. 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).