本文展示了利用流体辅助介电泳技术实现纳米线器件的自组装。以硅纳米线场效应晶体管的制备为例进行了说明。
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摘要
摘要
流动辅助介电泳（DEP）是一种高效、可控且可重复的纳米线自组装方法，可用于纳米线的精确定位、取向排列和筛选。该方法广泛应用于纳米线的分析、表征，以及基于溶液的半导体器件制备。其原理是在金属电极之间施加交变电场，随后将纳米线溶液滴加到位于倾斜基底上的电极区域，利用重力作用使溶液产生流动。在此过程中，纳米线会沿着电场梯度方向以及液体流动方向排列。通过调节电场频率，可以选择具有更高导电性且陷阱密度更低的纳米线。
在本研究中，利用流体辅助介电泳（DEP）技术制备纳米线场效应晶体管。流体辅助介电泳具有多项优势：可选择纳米线的电学特性；控制纳米线的长度；将纳米线定位至特定区域；控制纳米线的取向；以及调控器件中纳米线的密度。
该技术可拓展至许多其他应用，例如气体传感器和微波开关。该技术高效、快速、可重复，且仅需使用极少量的稀释溶液，因此非常适用于新型纳米材料的测试。此外，利用该技术还可实现纳米线器件的晶圆级组装，从而制备大量样品用于测试以及大面积电子器件应用。
引言
在利用半导体或导电纳米颗粒的溶液法制备电子和光子器件中，实现纳米颗粒在预定义基底位置上的可控且可重复组装仍是一个主要挑战。对于高性能器件而言，能够选择具有特定尺寸以及特定电子特性的纳米颗粒也极为有利，这些特性包括例如高导电性和低表面陷阱态密度。尽管在纳米材料生长方面已取得显著进展，包括纳米线和纳米管材料，但纳米颗粒的性质始终存在一定的差异性，而通过筛选步骤可显著提升基于纳米颗粒的器件性能1,2。
本研究展示的流动辅助介电泳（DEP）方法旨在应对上述挑战，通过实现半导体纳米线在金属电极上的可控组装，用于制备高性能纳米线场效应晶体管。介电泳在单一步骤中解决了纳米线器件制备中的多个问题，包括纳米线的定位、排列/取向以及具有理想特性的纳米线筛选。 通过 DEP信号频率选择1. DEP 已被用于多种其他设备，范围从气体传感器3，晶体管1，以及射频开关4,5，用于细菌的定位以进行分析7.
介电泳（DEP）是通过施加非均匀电场来操控可极化粒子，从而实现纳米线在电极间自组装的方法8。该方法最初用于细菌的操控9,10，此后已扩展应用于纳米线和纳米材料的操控。
纳米颗粒的介电泳（DEP）溶液处理技术实现了一种与传统自上而下工艺显著不同的半导体器件制备方法，后者依赖于多次光刻掩膜、离子注入、高温14、退火和刻蚀等步骤。由于DEP操控的是预先合成的纳米颗粒，因此它是一种低温、自下而上的制造技术11。该方法使得大规模纳米线器件能够在几乎所有类型的基底上组装，包括对温度敏感的柔性塑料基底6,12,13。
在此研究中，采用流动辅助介电泳法（flow-assisted DEP）制备高性能p型硅纳米线场效应晶体管，并对场效应晶体管进行电流-电压特性表征。本研究所用的硅纳米线通过超流体液固法（Super Fluid Liquid Solid, SFLS）生长而成。15,16。这些纳米线是有意设计的 掺杂，长度约为10 - 50 µm，直径为30 - 40 nm。SFLS生长方法极具吸引力，因其能够提供可扩展至工业规模的纳米线材料15所提出的纳米线组装方法可直接适用于其他半导体纳米线材料，例如 InAs13，SnO23和 GaN18该技术还可拓展用于排列导电纳米线19 并在电极间隙间定位纳米颗粒20.
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方案
注意：除非另有说明，所有操作均在洁净室环境中进行，并已进行风险评估，以确保在处理纳米线和化学品时的安全。纳米材料可能存在多种健康影响，目前尚不明确，因此应谨慎操作21。
注意：该过程首先从制备基底开始，随后进行第一次光刻和金属沉积步骤，以定义介电泳（DEP）电极。然后通过介电泳组装纳米线，还可选地进行后续光刻和金属沉积步骤，以在纳米线上沉积顶部电极。最后使用半导体表征套件测量纳米线晶体管器件的电流-电压特性。
1. 底物的制备
- 将掺杂的n型硅/二氧化硅晶圆切割成合适尺寸， 例如，2.5 cm2.
- 切割过程中，确保不要触碰或划伤晶圆的上表面。
- 用金刚石刻划器在表面连续划动一次，形成切口。
- 沿切割线将晶圆分开。
- 将样品置于样品台，先后在去离子水、丙酮和异丙醇（IPA）中，于超声波清洗仪中以100%功率（450 W）超声处理5分钟。
注意：参见 材料表 关于CAS编号和供应商信息。 - 使用氮气枪吹干基底，以去除表面残留的异丙醇或灰尘。
- 在100 W功率下用氧气等离子体对样品进行5分钟的等离子体灰化，以去除任何残留的有机物。
2. 用于接触电极的光刻双层工艺
注意：采用双层光刻工艺制作电极。光刻工艺在黄光室中进行，以防止光刻胶材料降解。
- 使用加热板在 150 °C 下加热样品 15 分钟，以去除表面残留的水分。
注意：此步骤旨在确保光刻胶的附着力；但也可使用 HMDS 等化学底涂剂。 - 将样品从加热板上取下，并放置于匀胶机上。
- 使用 移液器，在样品表面滴加约 1 mL 的光刻胶 A，直至整个样品表面均匀覆盖。
注意：所用光刻胶的具体信息请参见材料表。 - 以 4,000 rpm 的转速旋涂样品 45 秒，形成厚度约为 250 nm 的薄膜。若需沉积厚度超过 150 nm 的电极，则应调整此工艺参数。
- 将样品从匀胶机上取下，并置于 150 °C 的加热板上加热 5 分钟。
- 将样品从加热板上取下，放入湿度为 50% 的环境中静置 5 分钟，以确保光刻胶重新吸水22。
注意：若实验室环境湿度高于 50%，样品可在空气中静置。 - 将样品重新放回匀胶机，并用移液器在基底表面滴加约 1 mL 的光刻胶 B。
- 以 3,500 rpm 的转速旋涂样品 45 秒，形成厚度约为 500 nm 的薄膜。
- 将样品置于 120 °C 的加热板上加热 2 分钟。
- 将样品从加热板上取下，在湿度为 50% 的环境中静置 5 分钟。
- 使用掩模对准仪和掩模版对样品进行紫外光曝光，曝光时间为 6.7 秒，总曝光剂量为 180 mJ。
注意：具体曝光剂量可能需要根据所使用的掩模对准仪型号进行调整。 - 将样品从掩模对准仪中取出，浸入光刻胶显影液中显影 30 秒。
注意：所用显影液的具体信息请参见材料表。 - 将样品从显影液中取出，浸入去离子水中并冲洗，以终止显影过程。
- 使用光学显微镜检查光刻结果。可使用偏振片观察双层结构下的底切情况，底切区域应表现为通道周围的微弱线条。若底切过多或过少，可调整相关参数。
3. 金属电极的沉积
注意：电子束（E-beam）沉积用于将电极沉积到制备好的光刻胶上。该过程也可使用热蒸发仪或其他类型的金属薄膜沉积技术。
- 将样品放入电子束腔室中，抽真空至达到高真空状态。本实验中，真空度约为 1 × 10-6 mTorr。
- 先沉积 2–6 nm 的钛作为粘附层，随后沉积 30 nm 的金以形成介电电泳（DEP）电极。
- 从电子束腔室中取出样品。
- 通过去除大部分光刻胶和多余的金属完成剥离工艺。具体操作是将样品放入盛有光刻胶去除剂的烧杯中浸泡 15 分钟。
- 将样品从光刻胶去除剂 A 的烧杯中取出，转移至另一只盛有洁净光刻胶去除剂 的烧杯中，继续浸泡 15 分钟，以防止大颗粒金属残渣沉积在样品表面。
- 将烧杯置于超声环境中，以 50% 功率超声处理 5 分钟，完成最终的剥离过程。
- 逐个从溶液中取出样品，并用异丙醇（IPA）冲洗表面，确保去除残留物质，防止不期望的金属颗粒沉积在电极之间。
注意：电极现已制备完成，可用于纳米线的介电电泳（DEP）定向排列。
4. 纳米线的介电泳
- 制备浓度约为 1 µg/mL 的硅或其他纳米线的邻二甲苯溶液。在本实验中，将溶液在最低功率下短暂超声处理 15 秒，以去除任何絮凝物。也可使用其他溶剂，如甲苯和 N,N-二甲基甲酰胺（DMF）1。
- 取 10 µL 纳米线溶液滴涂于牺牲基底上，检查溶液状态。
- 使用偏光光学显微镜（POM）观察沉积有纳米线的基底。硅纳米线具有双折射性，因此在偏光显微镜下易于观察。若未见纳米线团聚，且大多数纳米线在基底上分散良好，则可进入下一阶段；否则需重新进行超声处理，且可能需要调整纳米线浓度。要达到理想的纳米线分散状态，可能需要多次尝试。
- 将带有电极的制备样品放置于与水平面成 30° 倾角的平台上，并使器件通道保持水平方向。分散液的流动方向应与电极边缘垂直，以实现更高效的纳米线排列。
- 使用连接至信号发生器的微探针接触电极1。
- 在信号发生器上设定所需的频率和电压。本实验中采用 10 V 峰峰值的介电泳（DEP）信号电压和 1 MHz 的正弦波。
注意：将频率提高至 20 MHz 可有助于收集高导电性、低陷阱密度的纳米线1,2。详见参考文献1。此处指出的 DEP 信号频率范围是通过 SFLS 硅纳米线的阻抗谱分析和收集时间分析确定的，具体方法见参考文献1。其他类型的纳米线，如载流子迁移率更高或更低的纳米线、掺杂纳米线，或通过其他生长方法获得的纳米线，其最佳 DEP 信号频率范围可能不同，从而影响高质量纳米线的收集效果。 - 开启信号发生器，并用移液枪将约 10 µL 纳米线溶液滴加到器件区域。
注意：将样品倾斜放置（30°）有助于形成重力辅助的缓慢液体流动。也可采用玻璃载片引发的毛细作用实现类似效果6。 - 施加 DEP 信号 30 秒后，关闭信号发生器。
- 取出样品，并用异丙醇（IPA）极其轻柔地冲洗。
- 使用氮气枪极其轻柔地吹干样品。可使用偏光光学显微镜检查样品并调整参数。
注意：可通过调节 DEP 信号电压、频率以及纳米线分散液的浓度，实现每器件从几根到数百根纳米线的可重复性目标密度1,2。
5. 沉积第二层金属
- 为了在纳米线场效应晶体管（NW FETs）中实现更优的电流注入，在纳米线顶部施加第二个金属接触。
注意：该接触电极的沉积过程在光刻和金属沉积步骤上与第2节和第3节完全相同，唯一区别在于仅沉积一层金。
6. 纳米线器件的I-V特性表征
注意：样品现已制备完成，可用于后续实验，或测量其电流-电压（I-V）特性以确定纳米线场效应晶体管的电学性质。所制备的器件为背栅场效应晶体管，其中掺杂硅片作为公共栅极，SiO2 层作为栅介质。
- 为建立与栅极的电接触，使用金刚石刻划笔在样品边缘去除一小部分二氧化硅。
- 使用氮气枪清除任何不需要的二氧化硅颗粒。
- 将三个微探针（源极、漏极和栅极）放置在金源-漏电极接触点上，其中栅极探针置于已去除SiO2的区域。
- 使用半导体表征系统进行I-V测量。
- 测量纳米线场效应晶体管（NW FETs）的转移曲线和输出曲线，这些数据可提供器件性能及纳米线电学特性的信息1,17,23。注意，转移特性测量是通过固定源-漏电压并扫描栅极电压来完成；而输出特性测量则是通过固定栅极电压并扫描源-漏电压来实现。
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结果
双层光刻技术可制备出边缘清晰、定义明确的电极。在示例中（图1A），采用通道长度为10 µm的叉指电极结构。当施加介电泳力时，这种结构可提供较大的区域，以组装最大数量的纳米线。图1B展示了一种底栅型纳米线场效应晶体管器件的示意图。
纳米线分散液浓度不正确以及超声处理不充分，可能导致分散质量较差，纳米线滴铸示例见图2A和 图2B，其中存在大量纳米线团聚物。过浓的纳米线分散液进行介电泳（DEP）沉积也可能产生质量不佳的纳米线层，如图2C所示。在该示例中，纳米线沉积过于密集，导致显著的纳米线-纳米线屏蔽效应。良好的DEP沉积示例如<...
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讨论
器件的成功制备及其性能取决于多个关键因素，包括配方中纳米线的密度和分布、溶剂的选择、介电泳（DEP）频率，以及对器件电极上纳米线数量的控制1。
实现可重复工作的器件，其中一个关键步骤是制备不含团簇或结块的纳米线溶液。在介电电泳（DEP）之前可对溶液进行超声处理，以减少结块数量并维持纳米线的分散状态。溶液一旦配制完成，其浓度也可能难以控制，特别是当纳米线易于发生凝聚时，可能导致溶液浓度降低。可使用表面活性剂来获得更分散的溶液，但表面活性剂可能对器件性能产生负面影响。
图2A 展示了滴铸沉积纳米线的一个示例，其中存在大量团聚物。如果纳米线团聚物难以去除，或在超声过程中纳米线易断裂16，建议让溶液静置数秒钟，然后吸取上层液体用于后续操作。分散良好的纳米线会漂浮在溶液上层，而较重的纳米线团簇则会沉降至底部。
溶剂和纳米材料的选...
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披露
作者确认不存在利益冲突。
致谢
作者感谢ESPRC和BAE系统公司提供的资金支持，以及Brian A. Korgel教授及其研究团队为本研究提供通过SFLS法生长的硅纳米线。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 硅/二氧化硅晶圆，CZ法生长，直径100 mm， 300 nm热氧化层， 磷掺杂n型 | Si-Mat（硅材料） | — | http://si-mat.com/ |
| 丙酮（200 ml） | Sigma Aldrich | W332615 | — |
| 异丙醇（200 ml） | Sigma Aldrich | W292907 | — |
| 去离子水（150 ml） | 现场供应 | — | — |
| 光刻胶（A）SF6 PMGI抗蚀剂（每样品约1 ml） | Microchem | — | http://microchem.com/pdf/PMGI-Resists-data-sheetV-rhcedit-102206.pdf |
| 光刻胶（B）S1805光刻胶（每样品约1 ml） | Microchem | — | http://www.microchem.com/PDFs_Dow/S1800.pdf |
| 光刻胶显影液 Microposit MF319 （100 ml） | Microchem | — | http://microchem.com/products/images/uploads/MF_319_Data_Sheet.pdf |
| 光刻胶去除剂 Microposit 1165去除剂（300 ml（两个浴槽，各150 ml）） | Microchem | — | http://micromaterialstech.com/wp-content/dow_electronic_materials/datasheets/1165_Remover.pdf |
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