개별 실리콘 나노와이어의 크기 의존 광전기적 거동

요약

제어 가능한 직경과 길이를 가진 주기적으로 정렬된 수직 배열 Si 나노와이어(Si NW)가 성공적으로 제작되었습니다. 이들의 광전도 특성은 개별 나노와이어에서 광전도 원자력 현미경(PCAFM)으로 조사되었습니다. 결과는 Si NW의 광전류가 레이저 강도에 따라 유의미하게 증가함을 보여주며, Si NW가 우수한 광전도성과 광응답 능력을 가짐을 나타냅니다. 이 광향상 전도도는 I-V 곡선 분석으로 확인된 광유도 쇼트키 장벽 변화에 기인할 수 있습니다. 한편, 정전기력 현미경(EFM) 결과는 레이저 조사 하에서 다수의 광생성 전하가 Si NW에 트랩되어 장벽 높이를 낮춤을 나타냅니다. 또한, 서로 다른 직경과 길이를 가진 Si NW에서 광전도 특성의 크기 의존성을 연구했습니다. 레이저 강도에 따른 광전류 증가 크기가 나노와이어 직경 및 길이와 밀접하게 관련됨이 밝혀졌습니다. 더 작은 직경과 더 짧은 길이를 가진 Si NW가 더 우수한 광전도 특성을 보이며, 이는 광생성 전하에 의한 크기 의존적 장벽 높이 변화와 잘 일치합니다. 최적화된 직경과 길이로 Si NW에서 우수한 광전기적 특성이 달성되었습니다. 전반적으로 본 연구에서 PCAFM과 EFM을 사용해 개별 Si NW의 광전기적 특성을 체계적으로 조사하여 나노구조 최적화와 실용적 응용을 위한 중요한 정보를 제공합니다.

서론

실리콘 나노와이어(Si NW)는 고유한 특성과 기존 실리콘 기술과의 호환성으로 최근 몇 년간 큰 주목을 받아왔습니다. Si NW는 집적 로직 회로, 태양전지, 열전 소자, 바이오센서 등 다양한 응용 분야에서 시연되었습니다[1-5]. 특히 고도로 정렬된 방식으로 배열될 때 Si NW는 빛 흡수와 전하 수집을 크게 개선해 태양전지와 광검출기 모두에서 고효율 달성을 가능하게 합니다[6-8]. 지난 몇십 년간 이러한 정렬된 나노와이어 어레이의 제어 가능한 성장과 광전(PV) 소자의 최적 제작이 집중적으로 조사되었습니다[9-11]. 반면, 이러한 Si NW 어레이, 특히 어레이 내 개별 나노와이어에 대한 광전기적 특성의 기초 연구는 훨씬 적습니다.

정렬된 나노와이어 어레이의 태양전지 및 PV 소자 응용을 실현하기 위해서는 그들의 광전도 특성을 잘 이해하는 것이 극히 중요합니다. 요즘 나노와이어 어레이의 광전도 특성은 일반적으로 양측 전극 증착 후 빛 조사 하에서 거시적 방법으로 조사됩니다[12, 13]. 그러나 더 정확한 분석을 위해서는 평균화된 결과가 아닌 단일 또는 개별 나노와이어 특성을 얻는 것이 필요합니다. 단일 나노와이어 소자 연구(제작이 쉽지 않음) 외에도, 주사 프로브 현미경(SPM) 기반 전기 측정이 나노스케일 전기적 특성 분석을 위한 강력한 기술로 부상했습니다[14, 15]. 이 SPM 기술들 중 전도성 원자력 현미경(CAFM)이 박막, 이종구조, 나노와이어 등 개별 나노구조의 전도성 특성 연구에 가장 자주 적용되었습니다[16-20]. 레이저 조사와 결합하면 광전도 원자력 현미경(PCAFM)으로 수정되어 개별 나노구조의 광전도 특성 조사 경로를 제공합니다[21, 22]. 최근 몇 년간 PCAFM은 유기[23-26] 및 무기 태양전지[27-29], 마이크로결정질 Si 박막, CdS 이종구조, MoS₂ 박막, ZnO NW 등 일부 나노구조의 광전류 측정에 이미 활용되었습니다[30-33]. 그러나 이들 연구 대부분은 다양한 파워 강도나 파장의 레이저 조사 영향에 초점을 맞췄으며, 나노와이어 크기 효과에 관한 연구는 소수에 불과했습니다.

한편, 우수한 광전도 특성을 가진 Si NW 어레이를 달성하기 위해서는 나노와이어 직경과 길이 최적화를 위한 크기 의존성 확보가 매우 필요합니다. 따라서 최근 몇십 년간 거시적 방법이나 단일 나노와이어 소자를 사용해 광전도 특성의 크기 의존성 규명에 많은 노력이 기울여졌습니다[34, 35]. 길이 의존성 측면에서, 많은 연구들이 나노와이어 길이가 1~18 µm 특정 값 이하로 증가할 때 광전류가 증가하다가 더 길어지면 감소함을 발견했습니다[12, 36, 37], 또 다른 연구는 광전도도가 길이 감소에 따라 준선형적으로 증가한다고 보고했습니다[38]. 한편 직경 의존성 결과는 훨씬 더 일관성이 없었습니다. 예를 들어, Kim 등의 연구에서는 고유 Ge 나노와이어의 광전도도가 직경 감소에 따라 증가한 반면[35], GaN 나노와이어 연구에서는 직경 증가에 따라 광전류가 증가했습니다[39]. 따라서 나노와이어 광전도 특성의 크기 의존성은 아직 좋은 공통 이해에 도달하지 못했습니다.

본 논문에서는 나노스피어 리소그래피(NSL)와 금속 보조 화학 식각(MACE) 방법으로 제어 가능한 직경과 길이를 가진 정렬된 수직 배열 Si NW 어레이를 성공적으로 제작했습니다(이전 연구들[1, 40]에서 보고됨). 그들의 광전도 특성은 추가 나노제작 없이 PCAFM으로 조사되었습니다. 우리 결과는 개별 Si NW에서 측정된 광전류가 레이저 강도에 따라 크게 증가하며, 증가 크기가 나노와이어 크기와 명백히 관련됨을 보여줍니다. 더 작은 직경과 더 짧은 길이의 Si NW가 더 광전도적입니다. 한편, 레이저 조사와 결합된 정전기력 현미경(EFM) 측정은 광생성 전하와 장벽 높이 수정에 대한 정보를 제공하며, 이는 Si NW의 크기 의존적 광향상 전도도를 설명하는 데 활용될 수 있습니다. 따라서 이 연구는 Si NW의 크기 의존적 광전기적 특성을 밝힐 뿐만 아니라, PCAFM과 EFM이 개별 나노구조의 광전기적 특성 조사와 크기(또는 기타 파라미터) 의존성 탐구에 효과적인 도구임을 시사합니다.

재료 및 방법

재료

Si 웨이퍼는 MTI(중국)에서 구매했습니다. 탈이온수(DI, 18.2 MΩ·cm)는 한외여과 시스템(Milli-Q, Millipore, Marlborough, MA)에서 얻었습니다. 아세톤, 메탄올, 황산, 과산화수소, 플루오르화수소산은 신약화학시약(중국)에서 구매했습니다. 폴리스티렌 구슬(PS, 직경 490 nm)의 현탁액(물 중 2.5 wt%)은 Duke Scientific(미국)에서 구매했습니다.

Si NW 제작 및 특성 분석

수직 정렬 실리콘 나노와이어 어레이는 NSL과 MACE로 제작되었습니다(이전 연구들[1, 40] 보고). 주요 제작 공정은 간단히 다음과 같습니다. 첫째, 폴리스티렌 구슬(PS)을 화학적으로 세척된 Si 웨이퍼(n-형, 0.01~0.02 Ω·cm) 위에 자기조립시켰습니다. 다음, 반응성 이온 식각(RIE, Trion Technology)(50 W, 70 mTorr)으로 PS 구슬 직경을 원하는 값으로 줄였고, 직경 축소된 PS 단층이 이후 공정에서 마스크 역할을 했습니다. 20 nm Au 막을 이온 스퍼터링으로 증착해 이후 MACE 처리의 촉매로 사용했습니다. 시료를 HF(40%)와 H₂O₂(30%) 혼합 용액(부피비 4:1)에 담가 MACE 공정을 수행했으며, 이 절차로 수직 정렬 Si NW가 생성되었습니다. 마지막으로 남은 Au 층과 PS 구슬을 KI/I₂ 혼합 용액과 테트라하이드로푸란 용액에 각각 담가 제거했습니다. 각 단계 후 형태는 주사 전자 현미경(SEM, SIGMA300)으로 확인했습니다. 원래 자기조립 PS 단층, 직경 축소 PS 단층, Au 층과 PS 구슬 제거 후 제작된 Si NW의 전형적인 SEM 이미지가 그림 1a-c에 각각 나와 있습니다. 대규모에서 정렬된 수직 배열 Si NW 어레이가 달성됨을 볼 수 있습니다. 또한 RIE와 MACE 시간 조절로 나노와이어 직경과 길이를 잘 제어할 수 있습니다[40].

또한 이러한 나노와이어 조성은 에너지 분산형 X-선 분광법(EDX, OXFORD, Aztec X-Max 80)으로 측정했습니다. HF 딥핑 후 Si 나노와이어에서 측정된 전형적인 EDX 스펙트럼이 그림 1d에 표시되어 있습니다. 결과는 나노와이어가 실리콘(~95.6%)이 주를 이루며 산소 미량(4.4%)만 있음을 보여줍니다. 확인을 위해 샘플 다른 영역에서 EDX 측정을 여러 번 반복했으며, 측정 결과는 잘 일치했고 산소 농도는 0~7.2% 범위에서 변동했습니다. 따라서 제작된 Si NW는 표면의 약간의 산화를 제외하고 다른 불순물 없이 순수하다고 대략 간주할 수 있습니다. 우리 결과는 HRTEM이나 EDX로 이전 연구들[41, 42]에서 보고된 바와 잘 일치합니다. 동일한 MACE 방법으로 제작된 Si NW가 주로 결정 구조를 유지하며 NW 벽 표면에 얇은 비정질 층만 관찰됨을 발견했습니다[43, 44]. 다공성 나노와이어 표면에 얇은 SiO₂ 층이 형성되며, 표면에서 다른 불순물은 검출되지 않았습니다[41].

개별 Si NW 광전기적 측정은 상용 SPM 장비(Multimode V, Bruker Nano Surfaces)로 수행되었으며, 그림 1e에 개략도로 나와 있습니다. PCAFM에서 전도성 팁이 바이어스 전압이 기판과 전기적으로 접지된 팁 사이에 인가된 상태에서 접촉 모드로 시료 표면을 스캔했고, 결과 전류를 측정했습니다. 레이저 조사는 400-µm 광섬유를 통해 SPM 헤드로 도입되었습니다. 조절 가능한 강도의 405 nm 다이오드 레이저(DPSS Lasers, MDL-III)가 기판에 초점화되었으며, 레이저 스팟 면적은 Pt/Cr 코팅 팁 아래 약 1 mm²였습니다. 각 레이저 강도에서 안정된 전류 측정을 위해 측정 전 몇 분간 대기해 레이저 강도 변화로 인한 불안정 상태를 가능한 줄였습니다. 반면 각 전류 이미지 측정 완료에 10분 이상 소요되었습니다. 나노와이어가 심각하게 산화되기 전 다양한 레이저 강도에서 전류 측정을 완료하기 위해, 0~8 W/cm² 범위에서 비교적 큰 간격(2 W/cm²)의 레이저 강도를 선택했습니다. 다양한 레이저 조사 하에서 개별 나노와이어의 광전도 전류 이미지와 I-V 곡선을 측정했습니다. EFM을 사용해 투패스 모드로 시료 표면 형상과 전기력 유도 위상 시프트를 기록했습니다. 첫 패스에서 태핑 모드로 표면 형상 이미지를 얻었습니다. 두 번째 리프트 패스(팁을 충분히 들어 올려 반데르발스 힘 유도 위상 시프트 무시)에서 팁과 시료 사이에 DC 바이어스를 인가하고 전기력 기울기에 의해 결정된 위상 시프트 신호를 검출했습니다. 자세한 동작 원리는 이전 연구들[45, 46]에서 찾을 수 있습니다. Pt/Cr 코팅 팁(Multi75E-G, Budget Sensors, 반경 약 25 nm)을 모든 전기 측정에 사용했으며, 모든 실험은 흐르는 N₂ 분위기에서 수행되었습니다. 각 샘플은 측정 전 HF 용액(5%)에 30초간 예비 딥핑해 시료 표면 산화층을 제거했고, 최소 5분간 흐르는 탈이온수로 세척해 HF가 표면에 남지 않게 했습니다. 단, Si 표면은 수소 패시베이션되어 재산화를 방지하고 약 60분간 반도체 특성을 유지할 수 있습니다[47]. HF 딥핑 후 산화층이 전기적 특성 분석에 미치는 영향을 가능한 줄이기 위해 즉시 측정했습니다.

결과 및 논의

단일 Si NW 광전도 특성 측정

레이저 조사와 결합해 Si NW의 광전도 특성을 레이저 강도 함수로 PCAFM으로 조사했습니다. 직경 190 nm, 길이 800 nm Si NW에서 샘플 바이어스 -1.5 V 하 다양한 레이저 조사 시 획득한 전형적인 전류 이미지들이 그림 2b-f에 나와 있으며, 표면 형상 이미지는 그림 2a에 있습니다. 팁이 큰 각도의 쐐기 형태라 바닥까지 도달할 수 없고, 특히 이미지가 접촉 모드에서 획득되어 관찰된 나노와이어가 다소 왜곡되어 있으며 나노와이어 상단 측면 전류만 측정 가능합니다. 어쨌든 개별 나노와이어 전류 분포는 전류 이미지에서 명확히 관찰됩니다. 레이저 조사 없는 전류 이미지(그림 2b)에서 Si NW는 중심보다 대부분 가장자리에서 약간 더 나은 전도도를 보이며, 이는 팁과 나노와이어 간 더 큰 측면 접촉 면적에 기인합니다[40]. 레이저 조사 하에서 Si NW 전류가 레이저 강도에 따라 명백히 증가합니다(그림 2c, d), 나노와이어 전도 영역도 그에 따라 증가합니다. 광전류와 레이저 강도 간 명확한 관계를 얻기 위해 전류 이미지 내 모든 나노와이어에 대한 평균 전류를 계산해 그림 2g에 레이저 강도 함수로 제시했습니다. 결과는 레이저 강도가 0에서 8 W/cm²로 증가할 때 평균 전류가 약 2배 증가(85에서 146 pA)함을 보여주며, 레이저 조사 하 더 많은 캐리어가 생성됨을 나타냅니다.

이전 연구들[32, 48]에서 광응답은 광검출기 반응 능력을 기술하는 데 주로 사용되었으며, 다음과 같이 정의됩니다:

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

여기서 I_L과 I_D는 레이저 조사 유무 시 전류입니다. P_inc는 입사 레이저 파워 밀도를 팁과 시료 간 효과적 접촉 면적으로 나눈 값, q는 기본 전하, hν는 광자 에너지입니다. 우리 경우 팁 반경 25 nm 사용 시 효과적 접촉 면적은 약 2×10^–11 cm²이며, 결과적으로 2 W/cm² 레이저 강도에서 Si NW 광응답은 약 2.3으로 계산되어 Si NW가 우수한 광향상 능력을 가짐을 나타냅니다. 그림 2h는 광응답의 레이저 강도 함수 플롯이며, 레이저 강도 증가에 따라 광응답이 감소하지만 모든 값이 여전히 1보다 큽니다. 따라서 위 결과들은 레이저 조사가 Si NW 전도도를 크게 향상시킬 수 있음을 보여주며, 광검출기 응용 잠재력을 시사합니다.

광전도 특성의 크기 의존성을 조사하기 위해 서로 다른 직경과 길이를 가진 Si NW에서 광전류 측정을 수행했습니다. 길이 350 nm로 동일하지만 직경이 190~350 nm인 Si NW의 전형적인 전류 이미지가 추가 파일 1: 그림 S1에 0, 4, 8 W/cm² 레이저 조사, 동일 샘플 바이어스 -1.5 V 하에 나와 있습니다. 전류 이미지 내 모든 나노와이어 평균 전류를 계산해 그림 3a에 레이저 강도 함수로 제시했습니다. 모든 직경 Si NW 전도도가 레이저 강도 증가에 따라 명백히 증가함을 볼 수 있습니다. 동일 레이저 강도에서 절대 전류값이 직경 350에서 190 nm로 감소함에 따라 유의미하게 증가합니다. 이 결과들은 더 작은 직경 Si NW가 더 큰 것들보다 더 전도적임을 시사합니다. 레이저 강도 평균 광응답이 그림 3b에 서로 다른 직경에 대해 제시되어 있습니다. 광응답이 직경 증가에 따라 감소함을 볼 수 있으며, 이는 더 작은 직경 Si NW가 더 나은 광응답 능력을 가짐을 의미합니다. 한편, 8 W/cm² 레이저 강도에서 서로 다른 직경에 대한 광전류(I_L - I_D)가 그림 3c에 나와 있습니다. 광전류가 직경 증가에 따라 감소함을 명확히 보여주며, 더 작은 직경 Si NW가 더 나은 광전도도를 가짐을 나타냅니다.

동일 직경이지만 다른 길이를 가진 Si NW에서 유사한 측정을 수행했습니다. 직경 190 nm, 길이 350~960 nm 나노와이어 결과가 추가 파일 1: 그림 S2에 나와 있습니다. 서로 다른 길이 나노와이어 평균 전류가 그림 3d에 제시되어 있습니다. 레이저 강도 증가에 따라 모든 나노와이어가 전도도 명백한 증가를 보이며, 8 W/cm²까지 레이저 강도 범위에서 더 짧은 Si NW가 더 큰 전도도를 가집니다. 8 W/cm² 레이저 강도에서 광응답과 광전류의 길이 함수 플롯이 그림 3e, f에 각각 제시되어 있습니다. 길이 350~960 nm 증가에 따라 광응답은 명백한 길이 의존성을 보이지 않지만, 광전류는 길이 증가에 따라 크게 감소합니다.

I-V 곡선 분석 및 크기 의존적 쇼트키 장벽 높이

이전 작업[40]에서 보고된 바와 같이, Si NW CAFM 측정에서 팁-나노와이어 접촉 저항을 강조적으로 고려해야 하며, 여기서 쇼트키 장벽이 중요한 역할을 합니다. 광전도도에서 쇼트키 장벽 역할과 레이저 조사가 장벽 높이에 미치는 영향을 조사하기 위해 개별 Si NW에서 전류-전압(I-V) 곡선을 기록했습니다. 직경 190 nm, 길이 800 nm Si NW에서 다양한 레이저 조사 하 전형적인 I-V 곡선이 그림 4a에 제시되어 있습니다. 모든 I-V 곡선은 금속과 n-형 반도체 접촉의 전형적 I-V 특성을 보여주며, 산소 층 전도도 영향이 심각하지 않아 이후 논의에서 무시됩니다. 레이저 강도 증가에 따라 Si NW 전류가 명백히 증가함을 관찰할 수 있습니다. 바이어스 -1.5 V 하 레이저 강도 0에서 8 W/cm² 증가 시 향상이 약 3배에 달하며, 이는 전류 이미지 결과와 잘 일치합니다. 정량적 분석을 위해 금속-반도체 접촉에 대한 잘 알려진 열전자 방출 모델을 채택했습니다[13, 49]. 이 모델에서 직렬 저항 존재 하 n-형 반도체 쇼트키 접촉 I-V 특성은 다음과 같이 근사됩니다[13]:

$$I = I_{{\text{S}}} \left[ {\exp \left( {\frac{{q(V - IR_{{\text{S}}} )}}{{{\text{n}}kT}}} \right) - {1}} \right],$$ (2)

여기서 n은 이상적 인자, R_S는 직렬 저항. I_S는 포화 전류로 다음과 같이 표현됩니다:

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

여기서 A는 접촉 면적, \(A^{*}\)는 리처드슨 상수, φ_B는 금속 팁과 Si 나노와이어 간 쇼트키 장벽 높이(SBH)입니다. 따라서 SBH는 다음 공식으로 얻을 수 있습니다:

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

그림 4a I-V 곡선은 식 (2)로 잘 피팅됩니다. 포화 전류로부터 SBH 값을 얻기 위해 유효 리처드슨 상수 \(A^{*}\)를 벌크 실리콘과 대략 동일하다고 가정했습니다. 즉, n-형 실리콘에 대해 112 A·cm⁻²·K⁻². 접촉 면적은 Cr/Pt 코팅 팁 반경 25 nm로 2×10^–11 cm²로 가정했습니다. SBH 값은 0, 2, 4, 6, 8 W/cm² 다양한 레이저 강도에 대해 각각 약 474, 453, 437, 429, 416 meV로 얻어졌으며, 그림 4b에 플롯되었습니다. 이는 SBH가 레이저 강도에 따라 유의미하게 감소함을 보여주며, 이것이 광향상 전도도의 주요 기여자일 수 있습니다. 동시에 동일 레이저 강도에서 나노와이어 직경과 길이에 따른 SBH 의존성이 그림 4c, d에 각각 주어집니다. 결과는 더 작은 직경과 더 짧은 길이 Si NW가 더 작은 SBH 값을 가짐을 나타내며, 이러한 나노와이어에서 더 나은 광전도도가 얻어짐을 의미합니다. 다양한 레이저 조사 하 직경과 길이 의존 SBH는 추가 파일 1: 그림 S3에 나와 있으며, 위 결론을 추가로 뒷받침합니다. 분명히 서로 다른 직경과 길이를 가진 Si NW 모든 측정 SBH 값은 벌크 Si(~600 meV)[40]보다 작으며, 레이저 강도 증가에 따라 더 감소해 Si NW가 잠재적 응용을 위한 유망한 광전도 특성을 달성할 수 있음을 나타냅니다.

따라서 위 결과들로부터 Si NW 광전도 특성이 직경과 길이에 강하게 의존함, 즉 더 작은 직경과 더 짧은 길이 Si NW가 더 나은 광전도도를 보임을 결론지을 수 있으며, 이는 I-V 곡선 피팅으로 밝혀진 크기 의존적 SBH에 기인해야 합니다. SBH 크기 의존성의 정확한 메커니즘은 아직 명확하지 않습니다. 이는 계면 상태 및/또는 거친 외층의 무질서 구조와 관련될 수 있습니다. 이전 연구들[50-52]에 따르면, 대전 계면 상태가 SBH를 효과적으로 낮출 수 있습니다. 예를 들어, 참고문헌 [50]에서 Yoon 등은 계면 상태 유도 캐리어 이동이 음전하 표면 상태와 동일한 수의 양전하로 두 반대 대전 층을 형성해 내장 전기장과 반대 방향 전기장을 생성하며, 나노와이어 직경에 강하게 의존하는 효과적인 SBH 낮춤을 초래한다고 가정했습니다. 유한 요소 모델링을 사용하고 나노와이어를 원통형 동축 커패시터로 처리해, 나노와이어 직경 감소에 따라 장벽 낮춤 크기가 증가함을 발견했습니다. 우리 경우 MACE 제작 나노와이어 거친 표면이 금속 팁과 접촉할 때 큰 밀도 계면 상태가 생성되어 위 관점 채택 시 장벽 높이를 효과적으로 낮출 수 있습니다. 표면 상태 밀도는 나노와이어 직경 감소에 따라 증가하므로, 더 작은 직경 나노와이어에서 더 작은 SBH 달성 가능. 따라서 더 작은 직경 Si NW가 더 큰 전도도를 보입니다. SBH가 모든 직경에서 레이저 강도 증가에 따라 감소하므로, 더 작은 직경 Si NW도 더 큰 광전도도를 보입니다.

SBH 값이 길이 의존적인 이유는 그러나 이 관점으로 해석될 수 없습니다. 더 긴 나노와이어는 제작을 위해 더 많은 MACE 시간이 필요해 더 많은 표면 무질서나 거칠기를 초래합니다. 표면 미세구조의 다양한 변화가 SBH 값에 다양한 변화를 도입할 수 있으며, 이를 규명하기 위해 추가 조사가 필요합니다. 어쨌든 광전도 특성 크기 의존성의 기원이 무엇이든, 크기 의존적 SBH 낮춤은 더 높은 전도도나 광전도도를 초래할 수 있으며, 이는 실용적 응용에 유리해야 합니다.

광생성 트랩 전하 및 장벽 높이 수정

PCAFM으로 얻은 Si NW SBH 결과를 추가 검증하기 위해 다양한 레이저 조사 하 Si NW에서 EFM 이미지를 측정했습니다(그림 5a-d). 정전기력 유도 위상 시프트(ΔΦ)가 레이저 강도 증가에 따라 명백히 증가함을 볼 수 있습니다. 나노와이어 상단 중심에서 라인 스캔 모드로 획득한 위상 시프트 이미지는 그림 5e에, 표시된 곡선을 따른 라인 스캔 평균 위상 시프트는 그림 5f에 그려져 있습니다. 둘 다 레이저 강도 증가에 따른 ΔΦ 증가를 명확히 보여줍니다.

EFM 측정에서 더 확실한 정보를 얻기 위해 특정 단일 나노와이어에서 ΔΦ를 인가 전압(V_EFM) 함수로 다양한 레이저 조사 하 측정했습니다. 직경 190 nm, 길이 800 nm Si 나노와이어에서 측정된 ΔΦ ~ V_EFM 곡선 세트가 그림 6a에 산점도로 제시되어 있습니다. 레이저 강도 증가에 따라 ΔΦ ~ V_EFM 곡선이 하향 이동함을 볼 수 있습니다. 이는 더 많은 캐리어가 생성되어 나노와이어에 트랩됨을 나타냅니다[45]. 정량적 분석을 위해 팁-시료 시스템을 평판 커패시터로 단순 처리했으며, 팁과 시료 간 바이어스 인가 시 용량성 정전기력 기울기가 위상 시프트를 유발합니다. 레이저 조사로 나노구조에 전하가 트랩되면 쿨롱 힘에 의한 추가 위상 시프트가 생성됩니다[53]. EFM 검출 위상 시프트는 다음과 같이 기술될 수 있습니다[54, 55]:

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

여기서 C, V_EFM, V_CPD는 각각 커패시턴스, 인가 DC 전압, 팁과 시료 간 접촉 전위차입니다. Q_s는 나노와이어에 트랩된 전하량, Q는 품질 인자, k는 프로브 스프링 상수, z는 나노와이어 내 트랩 전하 거리입니다.

그림 6a ΔΦ ~ V_EFM 곡선은 식 (5) 사용해 잘 피팅되며, 실선으로 표시됩니다. 피팅 파라미터로부터 V_CPD와 Q_s를 얻을 수 있으며, Pt/Ir 코팅 팁에 대해 Q = 186, k = 2.8 N/m 사용[56, 57]하고 z를 리프트 높이로 근사해 레이저 강도 함수로 그림 6b에 플롯했습니다. 레이저 강도 증가에 따라 V_CPD는 감소하는 반면 트랩 전하 Q_s는 증가함을 볼 수 있습니다. 문헌[46]에 따르면 레이저 조사 하 V_CPD 변화는 트랩 캐리어 밀도 변화와 관련됩니다. 따라서 우리 실험에서 레이저 조사에 따른 V_CPD 감소도 트랩 전하 밀도 증가에 기인할 수 있습니다.

추가 파일 1: 그림 S4 에너지 다이어그램에서 SBH 값은 대략 qV_CPD + E_n (= E_C − E_F)과 같습니다[40]. E_n은 동일한 물질로 만든 모든 Si NW에 상수이므로, V_CPD 크기 의존성이 SBH 크기 의존성을 잘 나타냅니다. 서로 다른 직경과 길이를 가진 Si NW에서 얻은 V_CPD 결과가 추가 파일 1: 그림 S5에 레이저 강도 함수로 제시되어 있습니다. 모든 직경과 길이를 가진 Si NW 측정 V_CPD가 레이저 강도 증가에 따라 감소합니다. 동일 레이저 강도 8 W/cm²에서 나노와이어 직경과 길이에 따른 V_CPD 의존성이 그림 6c, d에 각각 나와 있습니다. V_CPD가 직경 증가와 길이 증가에 따라 명백히 증가함을 볼 수 있으며, 이는 SBH 크기 의존성과 잘 일치합니다. 따라서 EFM 결과로부터 레이저 조사가 나노와이어에 트랩된 캐리어를 생성해 장벽 높이 낮춤을 유도하며, 이는 전도도 향상(그림 4)으로 이어짐을 시사할 수 있습니다.

결론

요약하자면, 복잡한 절차 없이 간단하고 저비용 방법으로 제어 가능한 직경과 길이를 가진 Si NW 어레이를 제조했습니다. 복잡한 나노제작 절차 없이 PCAFM을 이용해 개별 Si NW에서 직접 광전도 특성을 측정했습니다. 서로 다른 직경과 길이를 가진 개별 나노와이어에서 Si NW 크기 의존 전도도를 얻었습니다. 결과는 개별 Si NW에서 측정된 광전류가 레이저 강도에 따라 크게 증가하며, 증가 크기가 나노와이어 크기와 명백히 관련됨을 보여줍니다. 더 작은 직경과 더 짧은 길이 Si NW가 더 큰 광전도도를 보입니다. 한편, 레이저 조사와 결합된 EFM 측정은 광생성 전하와 접촉 장벽 높이에 대한 정보를 제공하며, 이는 Si NW 광전도 특성과 크기 의존성 설명에 적용될 수 있습니다. 따라서 본 연구에서 PCAFM과 EFM으로 개별 나노와이어 광전기적 특성을 조사했으며, 이는 나노구조의 기초 이해와 광전자공학 및 태양광 응용 잠재력 모두에 중요할 것입니다.

데이터 및 자료 가용성

결론을 뒷받침하는 데 사용된 데이터셋은 논문과 보충 파일에 포함되어 있습니다.

약어

Si NWs:

Si 나노와이어

CAFM:

전도성 원자력 현미경

PCAFM:

광전도 전도성 원자력 현미경

EFM:

정전기력 현미경

PV:

광전지

NSL:

나노스피어 리소그래피

MACE:

금속 보조 화학 식각

SPM:

주사 프로브 현미경

PS:

폴리스티렌 구슬

RIE:

반응성 이온 식각

SEM:

주사 전자 현미경

EDX:

에너지 분산형 X-선 분광법

SBH:

쇼트키 장벽 높이

CPD:

접촉 전위차