W tym artykule pokazano dielektroforezę wspomaganą przepływem dla samoorganizacji urządzeń nanoprzewodowych. Jako przykład pokazano wytwarzanie tranzystora polowego z nanodrutu krzemowego.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
W tym artykule pokazano dielektroforezę wspomaganą przepływem dla samoorganizacji urządzeń nanoprzewodowych. Jako przykład pokazano wytwarzanie tranzystora polowego z nanodrutu krzemowego.
Dielektroforeza wspomagana przepływem (DEP) to efektywna metoda samoorganizacji do kontrolowanego i powtarzalnego pozycjonowania, wyrównywania i wyboru nanoprzewodów. DEP jest używany do analizy nanoprzewodów, charakterystyki i wytwarzania urządzeń półprzewodnikowych w oparciu o roztwory. Metoda działa poprzez zastosowanie zmiennego pola elektrycznego między metalowymi elektrodami. Preparat nanodrutowy jest następnie upuszczany na elektrody, które znajdują się na pochyłej powierzchni, aby wytworzyć przepływ preparatu za pomocą grawitacji. Nanodruty następnie ustawiają się wzdłuż gradientu pola elektrycznego i w kierunku przepływu cieczy. Częstotliwość pola można dostosować, aby wybrać nanodruty o lepszej przewodności i mniejszej gęstości pułapki.
W tej pracy, wspomagany przepływem DEP jest używany do tworzenia nanoprzewodowych tranzystorów polowych. DEP wspomagany przepływem ma kilka zalet: umożliwia wybór właściwości elektrycznych nanoprzewodów; kontrola długości nanoprzewodów; umieszczanie nanodrutów w określonych obszarach; kontrola orientacji nanodrutów; i kontrola gęstości nanoprzewodów w urządzeniu.
Technika może być rozszerzona na wiele innych zastosowań, takich jak czujniki gazu i przełączniki mikrofalowe. Technika ta jest wydajna, szybka, powtarzalna i wykorzystuje minimalną ilość rozcieńczonego roztworu, dzięki czemu idealnie nadaje się do testowania nowych nanomateriałów. Za pomocą tej techniki można również dokonać montażu urządzeń nanoprzewodowych w skali wafla, co pozwala na pobieranie dużej liczby próbek do testów i zastosowań elektronicznych na dużych obszarach.
Kontrolowane i powtarzalne składanie nanocząstek w predefiniowanych lokalizacjach substratów jest jednym z głównych wyzwań w przetwarzanych roztworami urządzeniach elektronicznych i fotonicznych wykorzystujących półprzewodniki lub przewodzące nanocząstki. W przypadku urządzeń o wysokiej wydajności bardzo korzystna jest również możliwość wyboru nanocząstek o preferencyjnych rozmiarach i szczególnych właściwościach elektronicznych, w tym na przykład wysokiej przewodności i niskiej gęstości stanów pułapki powierzchniowej. Pomimo znacznego postępu w rozwoju nanomateriałów, w tym materiałów nanoprzewodowych i nanorurek, pewne różnice we właściwościach nanocząstek są zawsze obecne, a etap selekcji może znacznie poprawić wydajność urządzenia opartego na nanocząstkach1,2.
Celem metody DEP wspomaganej przepływem pokazanej w tej pracy jest rozwiązanie powyższych wyzwań poprzez pokazanie kontrolowanego montażu nanoprzewodów półprzewodnikowych na metalowych stykach dla wysokowydajnych tranzystorów polowych z nanodrutami. DEP rozwiązuje kilka problemów związanych z produkcją urządzeń nanoprzewodowych w jednym kroku, w tym pozycjonowanie nanoprzewodów, wyrównanie/orientację nanoprzewodów oraz wybór nanoprzewodów o pożądanych właściwościach poprzez wybór częstotliwości sygnału DEP1. Funkcja DEP była używana w wielu innych urządzeniach, począwszy od czujników gazu3, tranzystorów1 i przełączników RF4,5, po pozycjonowanie bakterii do analizy7.
DEP to manipulacja polaryzowalnymi cząstkami poprzez zastosowanie niejednorodnego pola elektrycznego, co skutkuje samoorganizacją nanoprzewodów na elektrodach8. Metoda ta została pierwotnie opracowana do manipulowania bakteriami9,10, ale od tego czasu została rozszerzona o manipulację nanodrutami i nanomateriałami.
Przetwarzanie nanocząstek metodą DEP umożliwia produkcję urządzeń półprzewodnikowych, która znacznie różni się od tradycyjnych technik odgórnych opartych na wielokrotnym fotomaskowaniu, implantacji jonów, wysokiej temperaturze14, etapach wyżarzania i trawienia. Ponieważ DEP manipuluje nanocząstkami, które zostały już zsyntetyzowane, jest to niskotemperaturowa, oddolna technika wytwarzania11. Takie podejście pozwala na montaż wielkoformatowych urządzeń nanoprzewodowych na prawie każdym podłożu, w tym na wrażliwych na temperaturę, elastycznych podłożach z tworzywa sztucznego6,12,13.
W tej pracy, wysokowydajne tranzystory polowe z nanodrutów krzemowych typu p są wytwarzane przy użyciu wspomaganego przepływem DEP i przeprowadzana jest charakterystyka prądu i napięcia FET. Nanodruty krzemowe użyte w tej pracy są hodowane metodą Super Fluid Liquid Solid (SFLS)15,16. Nanodruty są celowo domieszkowane i mają około 10 - 50 μm długości i 30 - 40 nm średnicy. Metoda wzrostu SFLS jest bardzo atrakcyjna, ponieważ może zaoferować skalowalne dla przemysłu ilości materiałów nanoprzewodowych15. Proponowana metodologia montażu nanoprzewodów ma bezpośrednie zastosowanie do innych półprzewodnikowych materiałów nanoprzewodowych, takich jak InAs13, SnO23 i GaN18. Technikę tę można również rozszerzyć o wyrównywanie przewodzących nanodrutów19 oraz umieszczanie nanocząstek w poprzek przerw między elektrodami20.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Uwaga: Wszystkie procedury, o ile nie zaznaczono inaczej, odbywają się w czystym pomieszczeniu, a oceny ryzyka zostały przeprowadzone w celu zapewnienia bezpieczeństwa podczas obchodzenia się z nanodrutami i chemikaliami. Nanomateriały mogą mieć szereg implikacji zdrowotnych, które są jeszcze nieznane, dlatego należy obchodzić się z nimi z odpowiednią ostrożnością21.
UWAGA: Proces rozpoczyna się od przygotowania substratów, po których następują pierwsze etapy fotolitografii i osadzania metalu w celu zdefiniowania kontaktów DEP. Nanodruty są następnie montowane za pomocą funkcji DEP, a następnie można przeprowadzić kolejny opcjonalny etap fotolitografii i osadzania metalu w celu osadzenia górnych styków na nanoprzewodach. Charakterystyki prądowo-napięciowe urządzeń tranzystorowych są następnie mierzone za pomocą zestawu do charakteryzacji półprzewodników.
1. Przygotowanie podłoży
2. Dwuwarstwowy proces fotolitografii dla kontaktów
UWAGA: Do tworzenia elektrod używany jest dwuwarstwowy proces fotolitografii. Proces fotolitografii przeprowadza się w żółtym pomieszczeniu, aby zapobiec rozpadowi materiałów fotorezystowych.
3. Osadzanie metalowych styków
UWAGA: Osadzanie wiązką elektronów (wiązką elektronów) służy do osadzania elektrod na przygotowanym fotorezyście. W procesie tym można również wykorzystać parowniki termiczne lub inne rodzaje technik osadzania cienkich warstw metalu.
4. DEP z nanoprzewodów
5. Osadzanie się wtórnej warstwy metalu
6. Charakterystyka I-V urządzeń nanoprzewodowych
UWAGA: Próbki są teraz kompletne i mogą być użyte w kolejnych eksperymentach lub ich charakterystyka I-V może być mierzona w celu ustalenia właściwości elektrycznych nanoprzewodów FET. Produkowane urządzenia to tranzystory FET z bramką wsteczną, w których domieszkowana płytka krzemowa służy jako wspólna bramka, a warstwa SiO2 służy jako dielektryk bramki.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Fotolitografia dwuwarstwowa pozwala na uzyskanie czystych, ostro zdefiniowanych elektrod. W przykładzie (Rysunek 1A) zastosowano strukturę palców przeplatających z długością kanału 10 µm. Struktury te zapewniają duży obszar do zgromadzenia maksymalnej liczby nanodrutów podczas przyłożenia siły DEP. Rysunek 1B przedstawia schemat urządzenia FET z nanodrutem i bramką dolną.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Pomyślne wykonanie i działanie urządzeń zależą od kilku kluczowych czynników. Należą do nich gęstość i rozkład nanodrutów w preparacie, dobór rozpuszczalnika, częstotliwość DEP oraz kontrola liczby nanodrutów znajdujących się na elektrodach urządzenia1.
Jednym z krytycznych etapów w celu uzyskania powtarzalnych urządzeń roboczych jest przygotowanie zawiesiny nanodrutów bez obecności skupisk lub grudek. Przed zastosowaniem DEP zawiesinę można poddać sonikacji, aby zmniej...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy potwierdzają, że nie ma konfliktu interesów.
Autorzy chcieliby podziękować ESPRC i BAE systems za wsparcie finansowe, a także Prof. Brianowi A. Korgelowi i jego grupie za dostarczenie wyhodowanych przez SFLS nanodrutów krzemowych wykorzystywanych w tej pracy.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Wafel krzemowy/dwutlenek krzemu, metoda wzrostu CZ, średnica 100 mm, 300 nm termiczny wzrost tlenkowy, fosfor domieszkowany n-Mat | Si-Mat (materiały krzemowe) | - | http://si-mat.com/ |
| Aceton (200 ml) | Sigma Aldrich | ||
| W332615-Izopropanol (200 ml) | Sigma Aldrich | W292907-Woda | |
| dejonizowana (150 ml) | Dostawa na miejsce | - | - |
| Fotorezystor (A) SF6 PMGI pod wytrawionym fotorezystem (ok. 1 ml na próbkę) | Mikrochemia | - | http://microchem.com/pdf/PMGI-Resists-data-sheetV-rhcedit-102206.pdf |
| Photoresist (B) S1805 photoresit) (ok. 1 ml na próbkę) | Microchem | - | http://www.microchem.com/PDFs_Dow/S1800.pdf |
| Programista Photoresist Microposit MF319 (100ml) | Mikrochemia | - | http://microchem.com/products/images/uploads/MF_319_Data_Sheet.pdf |
| Zmywacz Photoresist Zmywacz Microposit 1165 (300ml (2 kąpiele po 150 każda)) | Mikrochemia | - | http://micromaterialstech.com/wp-content/dow_electronic_materials/datasheets/1165_Remover.pdf |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.