ZnO 나노와이어의 직류 유전영동 정렬에 의한 정류 나노센서 제작

결과 및 토론

그림 2a, b는 열수법으로 성장한 ZnO NW 어레이의 평면도와 단면 SEM 이미지를 각각 보여줍니다. ZnO NW는 육각형 모양, 평균 직경 120 nm, 길이 3.5 μm를 가졌다. 그림 2c는 단결정 구조인 개별 ZnO NW의 TEM 이미지와 [001]의 성장 방향을 나타낸 것으로, Fig. 2d의 원자 분해능 TEM 이미지로 확인하였다.

아 상위 뷰 및 b DC-DEP 방법으로 제작된 ZnO NW 어레이의 단면 SEM 이미지. ㄷ ZnO NW의 TEM 이미지. d ZnO NW의 원자 분해능 TEM 이미지는 c의 빨간색 사각형에 해당합니다. . 삽입은 ZnO NW의 SAD 패턴입니다.

원래의 ZnO NW 현탁액의 농도는 약 2.5 × 10 ⁶ 으로 추정되었습니다. #/μl. 원래의 ZnO NW 현탁액을 20 × 로 희석하고 DEP 정렬 과정에서 1~7V의 DC 바이어스로 분리된 Au/Ti 전극에 떨어뜨렸습니다. Au/Ti 전극을 가로질러 정렬된 ZnO NW는 1~3V의 전압에서 서로 평행합니다. 정렬된 ZnO NW의 밀도는 바이어스가 가해짐에 따라 증가했습니다(추가 파일 1:그림 S1). 그러나 인가된 바이어스가 4V를 초과하면 전극이 쉽게 파손됩니다(추가 파일 1:그림 S2). 정렬된 ZnO NW의 밀도는 ZnO NW 현탁액의 농도를 변화시켜 조절하였다. 따라서 전기적 특성을 측정하기 위해 개별 ZnO NW 장치를 제작하기 위해 1, 2 및 3V의인가 전압에서 ZnO NW 현탁액의 농도를 다르게 사용했습니다. 그림 3은 제작된 개체의 I-V 곡선을 나타냅니다. DEP 정렬 과정에서 드레인 전극에 1, 2, 3V 전압을 인가하는 ZnO NW 소자. 인가 전압이 3V일 때 정류 거동이 관찰되었다. 약 70%의 소자에서 I-V 곡선이 정류 거동을 보였고 다른 소자의 경우 접촉 저항이 있었다. 인가 전압이 2V보다 작을 때 거의 모든 소자는 높은 접촉 저항을 가졌다.

DEP 정렬 과정에서 드레인 전극에 1, 2, 3V의 전압을 인가한 개별 ZnO NW 소자의 I-V 곡선

그림 4는 정렬 과정에서 3V의 전압을 사용하여 제작된 개별 ZnO NW 소자의 SEM 이미지로 정류 IV 특성을 나타냅니다. 이 정류소자의 TEM 이미지와 SAED(Select Area Electron Diffraction) 분석을 그림 5에 나타내었다. 정렬 과정이 나노 물체에 심각한 구조적 손상을 주지 않는다는 것을 의미합니다. I-V 곡선이 정류 거동을 나타내는 이유를 이해하기 위해 그림 6과 같이 ZnO NW의 양쪽 끝에서 ZnO/Au 계면의 화학적 조성을 에너지 분산 X선 분광법(EDS)으로 결정했습니다. Au의 농도-거리 프로파일은 Au가 전극에서 ZnO NW로 확산되었음을 의미한다. ZnO/Au 계면에서 약 60-140 nm 떨어진 Zn 및 O의 원자 농도는 약 50%였습니다. 경계면으로 갈수록 Zn의 농도는 처음에는 약간 증가했다가 급격히 감소하는 반면 O의 농도는 천천히 감소했습니다. 우리는 다음과 같은 이유를 추론합니다. ZnO/Au 계면은 DEP 정렬 과정에서 두 Au 전극에 ZnO NW가 흡착되었을 때 접촉 저항을 나타냈다. NW/전극 접점의 온도는 Au 원자가 Au 전극에서 내부 ZnO NW로 확산되도록 하는 줄 가열로 인해 접점을 통한 높은 전자 플럭스 흐름으로 증가했습니다[20]. Zn 원자가 ZnO NW의 내부로 밀려들어가 Zn 빈자리가 형성되었습니다.

Align 공정에서 3V의 전압으로 제작되어 정류 IV 특성을 나타낸 개별 ZnO NW 소자의 SEM 이미지

아 Align 공정에서 3V의 전압으로 제작된 개별 ZnO NW 소자의 TEM 이미지는 정류 IV 특성을 나타냈다. ZnO NW의 드레인 측의 원자 TEM 이미지와 면적은 a의 왼쪽 사각형에 해당합니다. . ZnO NW 중앙의 원자 TEM 이미지와 면적은 a의 중앙 사각형에 해당합니다. . ZnO NW의 소스 측의 원자 TEM 이미지와 면적은 a의 오른쪽 사각형에 해당합니다.

ZnO NW의 양쪽에서 ZnO/Au 계면의 화학적 조성은 에너지 분산 X선 분광법(EDS)에 의해 결정되었습니다. a의 TEM 이미지 배수 및 b ZnO NW의 소스 측. ㄷ c를 따라 Zn, O 및 Au의 농도 거리 프로파일 AA' 및 d BB'는 a에 표시됩니다. , b , 각각

그림 6은 드레인 측의 Au 농도가 소스 측의 Au 농도보다 높음을 나타내며, 이는 비대칭 줄 가열 효과로 인해 드레인 측의 온도가 소스 측의 온도보다 높음을 나타냅니다. 또한 추가 파일 1:그림 S3에서와 같이 3V의 DC 바이어스로 제작된 몇 가지 장치가 드레인 측에서 변형되었습니다. 5V 및 7V DC의 인가된 바이어스에서 제작된 장치의 경우 추가 파일 1:그림 S2에서와 같이 양극 영역이 용융된 다음 음극 영역이 녹으면서 심각하게 손상되었습니다. 이러한 현상은 또한 줄 가열이 비대칭임을 나타냅니다.

정류 ZnO NW 기반 소자의 광감지 특성을 조사하기 위해 다양한 강도의 365nm UV 광을 소자에 수직으로 조사하면서 해당 광응답 특성을 기록했습니다. 그림 7a는 이 장치의 IV 곡선을 표시하며, 이는 광전류가 유도될 수 있음을 나타냅니다. 그림 7b, c는 주기적인 조명 하에서 이 정류 장치의 시간 의존적 광응답을 보여줍니다. 장치가 역 바이어스를 나타낼 때 더 높은 감도가 달성되었습니다. 감광도(S)는 다음 식 [21]을 사용하여 계산되었습니다.

나 _UV/Vis 그리고 나 _어두운 조명 아래에서 측정된 전류와 어두운 곳에서 각각 측정된 전류입니다. 응답 시간과 회복 시간은 센서가 정상 저항의 90%에 도달하고 값의 10%로 되돌아가는 데 필요한 시간으로 정의됩니다. [22] 그림 7b와 같이 순방향 바이어스 모드에서 소자가 + 3V에서 UV 여기 상태일 때 전류는 ~ 2.5에서 ~ 5.75μA로 증가했습니다. 민감도는 2.3초, 반응시간과 회복시간은 각각 1.8초와 4.9초였다. 반면, 소자가 역 바이어스 모드에서 - 3V의 UV 여기 하에 있을 때, 그림 7c와 같이 전류는 0.1에서 200nA로 급격히 증가하였다. 감도는 2000으로 순방향 바이어스 모드에서 장치의 870배였습니다. 응답 시간과 복구 시간은 각각 0.1초와 0.145초로 순방향 바이어스 모드보다 훨씬 짧습니다. Zhou et al.이 준비한 Pt(Ga)-ZnO NW-Pt 쇼트키 검출기. [13]은 365nm UV 복사에서 역 바이어스 모드에서 1V에서 1500의 감도를 나타냅니다. 응답 시간과 회복 시간은 0.6초와 6초였습니다. 이 연구의 장치는 그들의 장치에 비해 응답 및 복구 속도가 더 빠르며 제조 공정이 더 간단합니다. 따라서 이 방법은 반도체 나노와이어를 기반으로 다른 쇼트키 다이오드를 제작하는 것으로 생각할 수 있다. 그림 7d는 광전류(I _P ) 역 바이어스 모드에서 − 3V의 ZnO-NW 기반 센서는 간단한 거듭제곱 법칙, I와 일치할 수 있습니다. _P ∝ 피 ^0.64 , 여기서 P는 광도입니다. 비 단위 지수는 반도체 내에서 전자-정공 생성, 트래핑 및 재결합의 복잡한 과정의 결과입니다. [23]

아 다양한 강도의 365nm 광 조사에서 ZnO-NW 기반 센서의 I-V 곡선. ㄴ + 3V에서 ZnO-NWs 기반 센서의 시간 분해 광응답은 스위치를 켜고 끔으로써 백색 UV 조명에서 역 바이어스 모드입니다. ㄷ 켜고 끄기를 통해 백색 UV 조명 아래 역 바이어스 모드에서 - 3V에서 ZnO-NWs 기반 센서의 시간 분해 광응답. d 역 바이어스 모드의 − 3V에서 ZnO-NW 기반 센서의 광전류, 거듭제곱 법칙을 사용한 해당 피팅 곡선 및 광도의 함수

이 연구에서 소자는 금속-반도체-금속 구조(M-S-M)를 갖는다. 공기 중 ZnO 표면에 산소가 흡착되고 자유 전자를 포획하여 표면 근처에서 공핍 영역을 유발합니다. DEP 정렬 과정에서 인가된 DC 바이어스가 2V 미만일 때 ZnO NW는 Au 전극에 물리적으로 흡착되었다. Au/Zn 계면은 쇼트키 접촉의 형성으로 인해 심각한 접촉 저항을 갖는다. 에너지 다이어그램은 그림 8a에 나와 있습니다. 따라서 전류는 그림 3과 같이 I-V 곡선 측정에서 장치를 통해 흐를 수 없습니다. 인가된 바이어스가 3V로 증가하면 비대칭 줄 가열이 발생하고 산소가 탈착되어 Au/ZnO 계면을 형성합니다. 동시에 Au 전극에서 ZnO NW로 Au 원자가 확산되고 Zn 공석이 생성됩니다. 이전 연구[24]에서는 열수법으로 제조된 ZnO NW가 O 결손 형성으로 인해 일함수가 5.28 eV인 n형 반도체임을 보여주었다. 이론적으로 Au/ZnO 계면은 Ohmic 접촉의 특성을 보였다. Zn 결손의 농도가 O 결손보다 높을 때, Zn 결손이 수용체와 같은 역할을 하기 때문에 ZnO 나노와이어의 특성이 n형에서 p형 반도체로 변형되었다. 따라서 Au/ZnO 인터페이스는 전기적 특성을 쇼트키 접촉으로 변환했습니다. [19] 이 연구에서 비대칭 줄 가열은 그림 8b와 같이 드레인 끝에서 쇼트키 접촉과 소스 끝에서 옴 접촉을 유발했습니다. 따라서 인가된 바이어스가 줄 가열(3V)을 유도하기에 충분하면 정류 IV 곡선이 얻어집니다.

Au/ZnO/Au 구조의 밴드 다이어그램. 아 2V 미만의 인가된 DC 바이어스로 DEP 정렬 프로세스에 의해 형성된 소자입니다. b 3V, c의 인가된 DC 바이어스로 DEP 정렬 프로세스에 의해 형성된 소자 역 바이어스 및 d에서 어두운 조건 역 바이어스 조명에서. λ 공핍 폭

광 응답 성능과 관련하여 역 바이어스 모드의 정류 장치는 감도가 높고 응답 시간이 짧습니다. 어두운 곳에서 리버스 바이어스가 있는 장치의 밴드 다이어그램이 그림 8c에 나와 있습니다. 큰 공핍 영역(λ ) 캐리어 흐름을 방해하고 암전류를 감소시킵니다. UV 조명, 밴드 다이어그램은 그림 8d에 나와 있습니다. 역 바이어스된 쇼트키 접합의 공핍 영역에서 생성된 광 생성 전자는 공핍 영역에 갇혀 공핍 영역을 축소합니다. 축적된 전자는 전극에서 나노와이어로 정공을 끌어당길 것입니다. 공핍 영역이 좁아지면 반도체에서 정공 터널링이 발생하여 1보다 큰 전류 이득이 향상되고 정공 수송 속도가 증가합니다[23, 25, 26]. 또한, ZnO 나노와이어의 pn 접합은 광검출기가 역 바이어스될 때 전위 장벽을 형성합니다. 따라서 365 nm 광 조사에서 소자의 I-V 곡선은 그림 7a에서와 같이 선형이 아닙니다.

이전 연구[17, 18]에서 정류 장치는 DEP 정렬을 사용하여 쌍을 이루는 전극에 ZnO NW를 정렬하여 제작되었으며 정류 동작은 DEP 정렬 프로세스에서 비대칭 접점 형성의 결과였습니다. 그러나 수정 방향은 무작위였다. 우리의 이전 연구[20]에서 이러한 소자의 정류 IV 특성은 IV 곡선 측정 과정에서 얻었고 정류 방향은 전압 스위프 방향에 의해 결정되었습니다. 본 연구에서는 간단한 제조공정을 사용하였다. 이 장치는 전기장 유도 조립 공정에서 DC에 의해 제작되었으며 전류의 방향에 따라 정류 방향이 결정되었습니다.