Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

प्रवाह असिस्टेड Dielectrophoresis: उच्च प्रदर्शन समाधान के निर्माण के लिए एक कम लागत विधि-प्रक्रिया Nanowire उपकरणों

Published: December 7, 2017 doi: 10.3791/56408
Automatic Translation
1, 1, 1
1Advanced Technology Institute, Electrical and Electronic Engineering, University of Surrey

Summary

इस पत्र में, प्रवाह असिस्टेड dielectrophoresis nanowire उपकरणों की आत्म विधानसभा के लिए प्रदर्शन किया है । एक सिलिकॉन nanowire क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर का निर्माण एक उदाहरण के रूप में दिखाया गया है.

Abstract

प्रवाह असिस्टेड dielectrophoresis (DEP) नियंत्रणीय और प्रतिलिपि स्थिति, संरेखण, और nanowires के चयन के लिए एक कुशल स्वयं विधानसभा विधि है । DEP का उपयोग nanowire विश्लेषण, लक्षण वर्णन और semiconducting उपकरणों के समाधान-आधारित निर्माण के लिए किया जाता है । विधि धातु इलेक्ट्रोड के बीच एक बारी बिजली के क्षेत्र को लागू करने से काम करता है. nanowire निर्माण तो गुरुत्वाकर्षण का उपयोग कर निर्माण का एक प्रवाह बनाने के लिए एक झुका सतह पर हैं जो इलेक्ट्रोड पर गिरा दिया है. nanowires तो बिजली के क्षेत्र के ढाल के साथ और तरल प्रवाह की दिशा में संरेखित करें । क्षेत्र की आवृत्ति को बेहतर चालकता और कम जाल घनत्व के साथ nanowires चयन समायोजित किया जा सकता है ।

इस काम में, प्रवाह असिस्टेड रवानगी nanowire क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर बनाने के लिए प्रयोग किया जाता है. प्रवाह असिस्टेड DEP कई फायदे हैं: यह nanowire बिजली के गुणों के चयन की अनुमति देता है; nanowire लंबाई का नियंत्रण; विशिष्ट क्षेत्रों में nanowires की नियुक्ति; nanowires के अभिविन्यास का नियंत्रण; और डिवाइस में nanowire घनत्व का नियंत्रण ।

तकनीक को कई अन्य अनुप्रयोगों जैसे गैस सेंसर और माइक्रोवेव स्विच करने के लिए विस्तारित किया जा सकता है । तकनीक कुशल है, जल्दी, प्रतिलिपि, और यह उपंयास मैटीरियल्स के परीक्षण के लिए आदर्श बनाने समाधान पतला की एक ंयूनतम राशि का उपयोग करता है । वेफर nanowire उपकरणों के पैमाने पर विधानसभा भी इस तकनीक का उपयोग कर प्राप्त किया जा सकता है, परीक्षण और बड़े क्षेत्र इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए नमूनों की बड़ी संख्या की अनुमति ।

Introduction

पूर्व निर्धारित सब्सट्रेट स्थानों में नैनोकणों के नियंत्रणीय और प्रतिलिपि विधानसभा समाधान में मुख्य चुनौतियों में से एक है-प्रसंस्कृत इलेक्ट्रॉनिक और नैनोवायर semiconducting का उपयोग या नैनोकणों का आयोजन उपकरणों । उच्च प्रदर्शन उपकरणों के लिए, यह भी बहुत ही तरजीही आकारों के साथ नैनोकणों का चयन करने में सक्षम होना करने के लिए फायदेमंद है, और विशेष रूप से इलेक्ट्रॉनिक गुण, सहित, उदाहरण के लिए, उच्च चालकता और सतह जाल राज्यों के कम घनत्व. nanowire और नैनोट्यूब सामग्री सहित मैटीरियल्स वृद्धि में उल्लेखनीय प्रगति के बावजूद, nanoparticle गुणों के कुछ रूपांतरों हमेशा मौजूद हैं, और एक चयन चरण काफी nanoparticle-आधारित डिवाइस प्रदर्शन में सुधार कर सकते हैं1 ,2.

प्रवाह असिस्टेड DEP विधि का उद्देश्य इस काम में प्रदर्शन किया उच्च प्रदर्शन nanowire क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर के लिए धातु संपर्कों पर नियंत्रणीय semiconducting nanowires विधानसभा दिखाकर उपरोक्त चुनौतियों का पता है. dep एक ही चरण में nanowire डिवाइस निर्माण की कई समस्याओं को हल करता है जिसमें nanowires की स्थिति, nanowires का संरेखण/, और dep संकेत आवृत्ति चयन1के माध्यम से वांछित गुणों के साथ nanowires का चयन । DEP गैस सेंसर3, ट्रांजिस्टर1, और आरएफ स्विच4,5, विश्लेषण7के लिए बैक्टीरिया की स्थिति को लेकर कई अन्य उपकरणों के लिए इस्तेमाल किया गया है.

DEP एक गैर-यूनिफ़ॉर्म इलेक्ट्रिक फ़ील्ड के अनुप्रयोग के माध्यम से ध्रुवीकरण कणों की हेरफेर है जो कि nanowires-असेंबली के8में उत्पंन होती है । विधि मूलतः बैक्टीरिया के हेरफेर के लिए विकसित किया गया था9,10 लेकिन बाद से nanowires और मैटीरियल्स के हेरफेर करने के लिए विस्तारित किया गया है.

नैनोकणों के रवानगी समाधान प्रसंस्करण कई photomasking, आयन आरोपण, उच्च तापमान14, एनीलिंग, और नक़्क़ाशी के आधार पर पारंपरिक ऊपर से नीचे तकनीकों से काफी अलग है कि अर्धचालक डिवाइस निर्माण में सक्षम बनाता है चरणों. के बाद से रवानगी नैनोकणों है कि पहले से ही संश्लेषित किया गया है, यह एक कम तापमान, नीचे निर्माण तकनीक11है । इस दृष्टिकोण के बड़े पैमाने पर nanowire उपकरणों के तापमान के प्रति संवेदनशील, लचीले प्लास्टिक सब्सट्रेट6,12,13सहित लगभग किसी भी सब्सट्रेट पर इकट्ठे होने की अनुमति देता है ।

इस काम में, उच्च प्रदर्शन पी प्रकार सिलिकॉन nanowire क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर प्रवाह असिस्टेड रवानगी का उपयोग कर गढ़े हैं, और FET वर्तमान वोल्टेज लक्षण वर्णन किया जाता है । सिलिकॉन nanowires इस काम में इस्तेमाल किया सुपर द्रव तरल ठोस (SFLS) विधि15,16के माध्यम से हो रहे हैं । nanowires जानबूझकर मैगनीज हैं, और लगभग 10-50 µm लंबाई में और 30-40 एनएम व्यास में कर रहे हैं । SFLS विकास विधि बहुत ही आकर्षक है क्योंकि यह उद्योग nanowire सामग्री के स्केलेबल मात्रा में15की पेशकश कर सकते हैं । प्रस्तावित nanowire विधानसभा पद्धति सीधे इस तरह के इनास13, SnO23के रूप में अंय अर्धचालक nanowire सामग्री के लिए लागू है, और18। तकनीक भी प्रवाहकीय nanowires19 संरेखित करने के लिए विस्तार किया जा सकता है और नैनोकणों के पार इलेक्ट्रोड अंतराल20में स्थिति ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

चेतावनी: सभी प्रक्रियाओं जब तक अंयथा एक साफ कमरे के वातावरण में जगह ले और जोखिम आकलन nanowires और रसायनों से निपटने के दौरान सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए किया गया है । मैटीरियल्स स्वास्थ्य निहितार्थ जो अभी तक अज्ञात के रूप में कर रहे है की एक संख्या हो सकता है, और इसलिए उचित देखभाल21के साथ संभाला जाना चाहिए ।

नोट: प्रक्रिया सब्सट्रेट्स की तैयारी के साथ शुरू होता है, इसके बाद पहली photolithography और धातु के जमाव के लिए रवानगी संपर्कों को परिभाषित करने के लिए कदम । nanowires तो रवानगी के माध्यम से इकट्ठा कर रहे हैं और एक और वैकल्पिक photolithographic और धातु जमाव कदम nanowires पर शीर्ष संपर्क जमा करने के लिए किया जा सकता है । nanowire ट्रांजिस्टर उपकरणों वर्तमान वोल्टेज विशेषताओं फिर एक अर्धचालक लक्षण वर्णन किट का उपयोग कर मापा जाता है ।

1. सब्सट्रेट्स की तैयारी

  1. उपयुक्त आकारों में एक मैगनीज n-प्रकार सिलिकॉन/सिलिकॉन डाइऑक्साइड वेफर कट, जैसे, २.५ सेमी2।
  2. काटने के दौरान, यह सुनिश्चित करें कि वेफर की ऊपरी सतह को छुआ या खरोंच नहीं है ।
  3. एक निरंतर गति में सतह भर में एक हीरे scriber भागो एक कट बनाने के लिए ।
  4. कटौती के साथ वेफर भाजित ।
  5. एक सब्सट्रेट धारक पर नमूने प्लेस और 5 मिनट के लिए sonicate में एक अल्ट्रा सोनिक स्नान में १००% बिजली (४५० डब्ल्यू), पहले जल में, तो एसीटोन, और अंत में isopropanol (आइपीए) ।
    नोट: कैस की संख्या और आपूर्तिकर्ताओं के लिए सामग्री की तालिका देखें ।
  6. सतह से किसी भी शेष आइपीएस या धूल को दूर करने के लिए एक नाइट्रोजन बंदूक के साथ सब्सट्रेट सूखी ।
  7. प्लाज्मा १०० डब्ल्यू में ऑक्सीजन प्लाज्मा में नमूनों राख 5 मिनट के लिए किसी भी शेष कार्बनिक अवशेषों को दूर करने के लिए ।

2. संपर्क के लिए Photolithography Bilayer प्रक्रिया

नोट: एक bilayer photolithography प्रक्रिया इलेक्ट्रोड बनाने के लिए प्रयोग किया जाता है. photolithography प्रक्रिया photoresist सामग्रियों के क्षय को रोकने के लिए एक पीले कमरे में आयोजित किया जाता है ।

  1. एक चूल्हा का उपयोग कर 15 मिनट के लिए १५० डिग्री सेल्सियस पर नमूना गर्मी, सतह से किसी भी शेष पानी को दूर करने के लिए ।
    नोट: यह photoresist के आसंजन को सुनिश्चित करने के लिए है; हालांकि HMDS के रूप में रासायनिक प्राइमरों भी इस्तेमाल किया जा सकता है ।
  2. गर्म थाली से नमूना निकालें और यह एक स्पिन-कोट पर जगह है ।
  3. एक पिपेट का प्रयोग, लगभग photoresist के 1 मिलीलीटर ड्रॉप सतह पर जब तक पूरे नमूना समान रूप से कवर किया जाता है ।
    नोट: उपयोग सटीक photoresist के लिए सामग्री की तालिका देखें ।
  4. ४५ एस के लिए ४,००० rpm पर नमूना स्पिन, लगभग २५० एनएम के एक फिल्म मोटाई का उत्पादन । यदि इलेक्ट्रोड है कि १५० एनएम से मोटा है जमा किया जा करने के लिए कर रहे हैं, यह नुस्खा बदल जाते हैं ।
  5. स्पिन कोट से नमूना निकालें और यह 5 मिनट के लिए १५० ° c पर एक चूल्हा पर जगह है ।
  6. चूल्हा से नमूना निकालें और एक ५०% आर्द्रता बॉक्स में 5 मिनट के लिए आराम करने के लिए नमूना छोड़ दें । यह photoresist22के जलयोजन सुनिश्चित करने के लिए है ।
    नोट: यदि प्रयोगशाला की आर्द्रता ५०% से अधिक है, तो नमूने को हवा में आराम करने के लिए छोड़ा जा सकता है ।
  7. नमूना वापस स्पिन पर प्लेस-कोट और पिपेट लगभग photoresist बी के 1 मिलीलीटर सब्सट्रेट की सतह पर ।
  8. ४५ एस के लिए ३,५०० rpm पर नमूना स्पिन, लगभग ५०० एनएम की एक फिल्म मोटाई दे रही है ।
  9. 2 मिनट के लिए १२० डिग्री सेल्सियस पर एक चूल्हा पर नमूना प्लेस ।
  10. चूल्हा से नमूना निकालें और 5 मिनट के लिए एक ५०% आर्द्रता बॉक्स में आराम करने के लिए छोड़ दें ।
  11. नमूना एक मुखौटा का उपयोग कर बेनकाब-संरेखण और ६.७ एस के लिए यूवी प्रकाश के लिए photomask की कुल के लिए १८० प्रदर्शन के एम. जे.
    नोट: सटीक जोखिम खुराक मुखौटा संरेखण के एक विशेष मॉडल के आधार पर समायोजित करने की आवश्यकता हो सकती है.
  12. मास्क-संरेखण से नमूना निकालें और 30 एस के लिए photoresist डेवलपर में विसर्जित करके विकसित ।
    नोट: सटीक डेवलपर के लिए सामग्री की तालिका देखें ।
  13. डेवलपर से नमूना निकालें, पानी में डूबे हुए नमूने को विसर्जित करें, और विकास प्रक्रिया को रोकने के लिए इसे कुल्ला करें ।
  14. एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग कर photolithography की जाँच करें । एक ध्रुवक bilayer तुर्रा जो चैनल के आसपास बेहोश लाइनों के रूप में प्रकट करना चाहिए की जांच करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । अगर बहुत ज्यादा या दो छोटे तुर्रा हासिल हो तो समय को एडजस्ट किया जा सकता है ।

3. धातु संपर्कों का जमाव

नोट: इलेक्ट्रॉन बीम (ई बीम) जमाव तैयार photoresist पर इलेक्ट्रोड जमा करने के लिए प्रयोग किया जाता है । इस प्रक्रिया थर्मल वाष्पीकरण या धातु पतली फिल्म जमाव तकनीक के अंय प्रकार का उपयोग भी कर सकते हैं ।

  1. नमूनों को ई-बीम चैंबर में रखें; यह पंप नीचे तक एक उच्च शूंय तक पहुंच गया है । इस मामले में, लगभग 1 x 10-6 mTorr के एक निर्वात तक पहुंच गया है ।
  2. जमा 2-6 एनएम टाइटेनियम जो DEP संपर्कों के लिए सोने के 30 एनएम के बाद एक आसंजन परत के रूप में कार्य करता है ।
  3. ई-बीम चैंबर से नमूने निकाले ।
  4. photoresist और अधिक धातु के अधिकांश निकाल कर लिफ्ट बंद प्रक्रिया करते हैं । यह नमूनों को 15 मिनट के लिए photoresist रिमूवर के एक यूरिन में रखकर किया जाता है ।
  5. photoresist रिमूवर ए के यूरिन से नमूने निकालें और एक और 15 मिनट के लिए photoresist हटानेवाला की एक और साफ चोंच में जगह है । यह नमूना पर बसने से किसी भी बड़े धातु कणों को रोकने के लिए है ।
  6. ५०% पावर पर 5 मिनट के लिए यूरिन को sonicating करके पूरा लिफ्ट-ऑफ करें ।
  7. एक-एक करके नहाने से नमूनों को निकालें, आइपीएल के साथ किसी भी सामग्री को बंद कुल्ला करने के लिए सुनिश्चित करना इलेक्ट्रोड के बीच बसने से अवांछित धातु कणों को रोकने के लिए ।
    नोट: इलेक्ट्रोड अब nanowires की DEP संरेखण के लिए तैयार हैं ।

4. Nanowires की रवानगी

  1. लगभग 1 µ g/mL एकाग्रता के anisole में सिलिकॉन या अन्य nanowires का समाधान तैयार करें । इस प्रयोग में, समाधान किसी भी flocculation को निकालने के लिए संभव सबसे कम शक्ति सेटिंग पर 15 s के लिए संक्षेप में sonicated है । अंय सॉल्वैंट्स ऐसे टोल्यूनि और एन, एन dimethylformamide (DMF)1के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है ।
  2. एक बलि सब्सट्रेट पर nanowire निर्माण की एक 10 µ एल कास्टिंग ड्रॉप द्वारा समाधान की जाँच करें ।
  3. एक ध्रुवीय ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (पोम) का उपयोग कर जमा nanowires के साथ सब्सट्रेट का निरीक्षण. सिलिकॉन nanowires birefringent हैं और इसलिए पोम में आसानी से देखा जा सकता है । यदि कोई nanowire के झुरमुट दिखाई दे रहे हैं, और nanowires के अधिकांश अच्छी तरह से सब्सट्रेट पर फैलाया जाता है, तो अगले चरण शुरू कर सकते हैं, अंयथा समाधान पुनः sonicated है, और nanowire एकाग्रता को समायोजित करने की आवश्यकता हो सकती है । यह सही nanowire फैलाव को प्राप्त करने के लिए कई प्रयास ले सकता है ।
  4. तैयार नमूना 30 ° पर इलेक्ट्रोड के साथ रखें (बनाम क्षितिज) क्षैतिज गठबंधन डिवाइस चैनल के साथ झुका मंच. फैलाव प्रवाह दिशा और अधिक कुशल nanowire संरेखण की अनुमति देने के लिए इलेक्ट्रोड किनारों के लिए सीधा होने की जरूरत है ।
  5. एक आवृत्ति जनरेटर के लिए कनेक्ट माइक्रो जांच का उपयोग इलेक्ट्रोड से संपर्क करें1.
  6. वांछित आवृत्ति सेट और वोल्टेज आवृत्ति जनरेटर पर हैं. इस प्रयोग में, 10 वी पीक-टू-पीक और एक 1 मेगाहर्ट्ज sinewave की एक रवानगी सिग्नल वोल्टेज का उपयोग करें ।
    नोट: आवृत्ति को बढ़ाने के लिए 20 मेगाहर्ट्ज उच्च चालकता और कम जाल घनत्व1,2के साथ nanowires इकट्ठा करने में मदद कर सकते हैं. विस्तृत चर्चा के लिए1 संदर्भ देखें । DEP संकेत आवृत्ति रेंज यहां संकेत SFLS Si nanowires प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी और संग्रह समय विश्लेषण, संदर्भ में वर्णित के रूप में द्वारा प्राप्त किया गया था1. उच्च या निचली चार्ज वाहक गतिशीलता, मैगनीज nanowires, या अन्य वृद्धि विधियों द्वारा प्राप्त nanowires के साथ nanowires के अन्य प्रकार के विभिन्न DEP संकेत आवृत्ति रेंज हो सकता है जिसके परिणामस्वरूप हाई क्वालिटी nanowires का संग्रह होता है ।
  7. आवृत्ति जनरेटर पर स्विच-और डिवाइस क्षेत्र पर एक micropipette का उपयोग कर nanowire समाधान के लगभग 10 µ एल ड्रॉप.
    नोट: एक कोण (30 डिग्री) पर नमूना रखने के लिए एक गुरुत्वाकर्षण की सहायता से तरल की धीमी गति से प्रवाह बनाने में मदद करता है । वैकल्पिक रूप से, एक केशिका कार्रवाई एक गिलास स्लाइड का उपयोग कर6उपयोग किया जा सकता है ।
  8. 30 s के लिए DEP संकेत लागू करें और तब स्विच-ऑफ़ आवृत्ति जनरेटर ।
  9. नमूना निकालें और आइपीए के साथ बहुत धीरे कुल्ला ।
  10. सूखी बंद नमूना बहुत धीरे एक नाइट्रोजन बंदूक का उपयोग कर । एक ध्रुवीकरण ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप नमूना निरीक्षण और मापदंडों को समायोजित करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है
    नोट: रवानगी संकेत वोल्टेज, आवृत्ति, और nanowire फैलाव घनत्व nanowires के एक प्रतिलिपि वांछित घनत्व को प्राप्त करने के लिए समायोजित किया जा सकता है, कुछ nanowires से डिवाइस के प्रति कुछ सौ के लिए1,2.

5. एक माध्यमिक धातु परत का जमाव

  1. एफईटी में सुधार वर्तमान इंजेक्शन प्राप्त करने के लिए, nanowire के शीर्ष पर एक दूसरे धातु संपर्क लागू होते हैं ।
    नोट: यह संपर्क जमाव प्रक्रिया वर्गों 2 और 3 के रूप में सटीक एक ही चरणों के बाद, दोनों photolithography और धातु जमाव में, सिवाय इसके कि केवल एक सोने की परत जमा है ।

6. I-V Nanowire उपकरणों के लक्षण वर्णन

नोट: नमूने अब पूरा कर रहे हैं और बाद में प्रयोगों में इस्तेमाल किया जा सकता है या उनके I-V विशेषताओं nanowire FET बिजली के गुणों को स्थापित करने के लिए मापा जा सकता है. गढ़े उपकरणों वापस कर रहे है gated एफईटी, जहां मैगनीज सिलिकॉन वेफर कॉमन गेट के रूप में कार्य करता है, और सिइओ2 परत गेट ढांकता के रूप में कार्य करता है ।

  1. फाटक के साथ विद्युत संपर्क स्थापित करने के लिए, एक हीरे की scriber का उपयोग कर नमूने के किनारे पर सिलिकॉन ऑक्साइड के एक छोटे से क्षेत्र को हटा दें ।
  2. किसी भी अवांछित सिलिकॉन डाइऑक्साइड कणों को दूर करने के लिए एक नाइट्रोजन बंदूक का प्रयोग करें ।
  3. सोने के स्रोत पर तीन microprobes (स्रोत, नाली, और गेट) प्लेस, हटा सिइओ2के साथ क्षेत्र पर गेट जांच के साथ इलेक्ट्रोड संपर्कों, नाली.
  4. मैं-V माप लेने के लिए एक अर्धचालक लक्षण वर्णन प्रणाली का प्रयोग करें ।
  5. उपाय स्थानांतरण और एफईटी के उत्पादन स्कैन के रूप में इन डिवाइस के प्रदर्शन और nanowires1,17,23के विद्युत गुणों के बारे में जानकारी दे । ध्यान दें कि स्थानांतरण माप स्रोत-नाली वोल्टेज और झाडू फाटक वोल्टेज कदम शामिल है । निर्गम विशेषताओं व्यापक स्रोत से मापा जाता है-वोल्टेज नाली और कदम गेट वोल्टेज ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bilayer photolithography परिणाम साफ तेजी से परिभाषित इलेक्ट्रोड में । उदाहरण में (चित्र 1a), अंतर-digitated फिंगर संरचना का उपयोग 10 µm के चैनल की लंबाई के साथ किया गया था । इन संरचनाओं nanowires की अधिकतम संख्या को इकट्ठा करने के लिए एक बड़े क्षेत्र की अनुमति जब रवानगी बल लागू किया जाता है । चित्रा 1b एक नीचे गेट nanowire FET डिवाइस के एक योजनाबद्ध दिखाता है ।

गलत nanowire फैलाव एकाग्रता, के रूप में के रूप में अच्छी तरह से अपर्याप्त sonication गरीब गुणवत्ता फैलाव में परिणाम कर सकते हैं, ड्रॉप कास्ट उदाहरण के साथ चित्रा 2a और चित्रा बीमें दिखाया nanowires की एक महत्वपूर्ण राशि के साथ, nanowire clumps. बहुत घने nanowire फैलाव की रवानगी जमाव भी nanowires के अवांछनीय गुणवत्ता परतों का उत्पादन कर सकते है के रूप में चित्रा 2cमें दिखाया गया है । इस उदाहरण में, nanowires भी घनी जमा कर रहे हैं, एक बहुत महत्वपूर्ण nanowire-nanowire स्क्रीनिंग प्रभाव में जिसके परिणामस्वरूप । अच्छी रवानगी जमाव का एक उदाहरण चित्रा 2dमें दिखाया गया है, अच्छी तरह से फैलाया, पृथक, गठबंधन nanowires का प्रदर्शन ।

nanowires के प्रवाह असिस्टेड रवानगी nanowires में सीधा परिणाम के रूप में चित्रा 3में दिखाया गया है इलेक्ट्रोड पर कई माइक्रोन के एक ओवरलैप के साथ चैनल को पार करना चाहिए. आदर्श nanowire विधानसभा एक अच्छी तरह से गठबंधन "monolayer" के रूप में अनुमानित किया जा सकता है । इसके अतिरिक्त, nanowires के बीच एक छोटा सा अंतराल nanowire स्क्रीनिंग प्रभाव को कम करने के लिए पसंद है । नियंत्रणीय nanowire विधानसभा का एक उदाहरण प्रवाह असिस्टेड रवानगी के द्वारा चित्रा 3 और चित्र बी, जहां DEP संकेत वोल्टेज में चित्र बीमें कम हो गया है, में जमा nanowires की एक काफी छोटी संख्या में जिसके परिणामस्वरूप दिखाया गया है इलेक्ट्रोड गैप.

स्थानांतरण और एक ठेठ सिलिकॉन nanowire क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर के उत्पादन स्कैन चित्रा 4में दिखाया गया है. परिणाम प्रदर्शित करता है कि डिवाइस पी-प्रकार व्यवहार है, अच्छी तरह से परिभाषित गेट मॉडुलन के साथ. इन परिणामों को साहित्य1,2में एक ही विधि का उपयोग कर गढ़े अंय nanowire ट्रांजिस्टर के साथ अच्छी तरह से तुलना; हालांकि, इन उपकरणों को भी सतह passivation जो यहां चर्चा नहीं है के रूप में तकनीक द्वारा सुधार किया जा सकता है17। समाधान संसाधित सिलिकॉन nanowire एफईटी धाराओं पर milliamp स्तर पर उच्च के रूप में प्रदर्शित किया है1; हालांकि, कई अनुप्रयोगों के लिए, सूक्ष्म amp धाराओं के साथ एफईटी पर्याप्त हैं.

Figure 1
चित्र 1: ऑप्टिकल छवि और ट्रांजिस्टर की योजनाबद्ध. (एक) nanowires के साथ interdigitated इलेक्ट्रोड संरचनाओं के ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवि इलेक्ट्रोड के बीच गठबंधन. (ख) एक नीचे गेट nanowire क्षेत्र प्रभाव एसआई आम गेट के साथ si/सिइओ2 वेफर पर बनाया ट्रांजिस्टर की योजनाबद्ध । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2: समाधान जमा सिलिकॉन nanowires के ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवियां ध्रुवीकरण । (क) nanowires एक अनुकूलित फैलाव से सिलिकॉन वेफर्स पर डाली ड्रॉप का उदाहरण, nanowire के झुरमुट की एक महत्वपूर्ण संख्या दिखा । (ख) कम झुरमुट के साथ संक्षिप्त sonication के बाद कास्ट nanowires ड्रॉप । (ग) गलत रवानगी के बाद डिवाइस nanowires का एक बहुत ही उच्च घनत्व दिखा रहा है, और झुरमुट । (D) सही DEP जमाव को अच्छी तरह संरेखित दिखाने के बाद, पृथक nanowires इलेक्ट्रोड अंतराल को पार करने के बाद डिवाइस । लाल तीर द्रव प्रवाह की दिशा को इंगित करते हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3: सिलिकॉन nanowires के नियंत्रणीय रवानगी जमाव के ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप छवियों ध्रुवीकरण. (ए) Nanowires उच्च रवानगी संकेत वोल्टेज (15 वी) में इकट्ठे हुए, गठबंधन Nanowires के उच्च घनत्व दिखा । (ख) कम DEP वोल्टेज (5 V) पर इकट्ठे किए गए Nanowires, केवल दो Nanowires के इलेक्ट्रोड को पाटने के साथ । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्र 4 : ठेठ nanowire FET डिवाइस मैं-V विशेषताओं । (क) सोने इलेक्ट्रोड के साथ एक सिलिकॉन nanowire नीचे gated FET डिवाइस के FET हस्तांतरण स्कैन । नाली वोल्टेज से निकलीं-०.१ से-०.५ वी के साथ-०.१ वी अंतराल और गेट वोल्टेज 10 से-४० वी बह रहा है । (B) आउटपुट से निकलीं गेट वोल्टेज के साथ एक ही डिवाइस का स्कैन 0 से-४० v के साथ-5 v अंतराल और बह नाली वोल्टेज से 0 में-०.५ v. Nanowires थे 2 मेगाहर्ट्ज और 10 Vpp में रवानगी के संकेत पर इकट्ठे हुए । FET दर्शाता है 5 फिलीस्तीनी अथॉरिटी ऑफ वर्तमान (vG = 0 v), 5 µ α पर वर्तमान vD= ०.५ v, 10 में जिसके परिणामस्वरूप6 -107 चालू अनुपात/ कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्र 5: anisole में सिलिकॉन nanowires के लिए रवानगी बल बनाम आवृत्ति की नकली साजिश भिंन conductivities के साथ । अनुकरण में, nanowires ११.९ की एक permittivity और २.५ x 10 के बीच की एक चालकता है-2 s/एम के लिए 10 एक्स 10-2 एस/Anisole ४.३३ की एक permittivity और 2 x 10 के एक ग्रहण चालकता है-6 एस/ध्यान दें कि उच्च conductivities एक उच्च आवृत्ति जिस पर बल शूंय पर चला जाता है । इस प्रवृत्ति को इंगित करता है कि उच्च चालकता nanowires उच्च रवानगी संकेत आवृत्ति पर एकत्र किया जा सकता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

सफल निर्माण और उपकरणों के प्रदर्शन के कई प्रमुख कारकों पर निर्भर करते हैं । ये निर्माण में nanowire घनत्व और वितरण, विलायक के विकल्प, रवानगी की आवृत्ति, और डिवाइस पर मौजूद nanowires की संख्या के नियंत्रण इलेक्ट्रोड1शामिल हैं ।

दोहराया जाने वाला काम उपकरणों को प्राप्त करने में महत्वपूर्ण चरणों में से एक समूहों या झुरमुटओं के बिना एक nanowire निर्माण की तैयारी है । sonicated के झुरमुट की संख्या कम करने और nanowire फैलाव को बनाए रखने के लिए रवानगी से पहले तैयारियां की जा सकती हैं । एक बार किया समाधान का घनत्व भी विशेष रूप से अगर nanowires coagulate जो एक कम घने निर्माण के लिए नेतृत्व कर सकते है की संभावना है नियंत्रण मुश्किल हो सकता है । सर्फेक्टेंट एक अधिक dispersing निर्माण बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है, लेकिन surfactant डिवाइस के प्रदर्शन का एक नकारात्मक प्रभाव हो सकता है ।

चित्रा 2a , झुरमुट की एक महत्वपूर्ण संख्या के साथ ड्रॉप कास्ट जमा nanowires का एक उदाहरण से पता चलता है । यदि nanowires के झुरमुट को दूर करने के लिए मुश्किल है या nanowires sonication के दौरान तोड़ने के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं16, यह अनुशंसित है कि समाधान कुछ सेकंड के लिए व्यवस्थित करने की अनुमति दी जाए । निर्माण के ऊपर तो उपयोग के लिए बंद pipetted होना चाहिए । समाधान के शीर्ष पर अच्छी तरह से फैलाया nanowires नाव, जबकि नीचे करने के लिए भारी nanowire समूहों सिंक ।

विलायक और nanomaterial का चुनाव रवानगी साठा चरण में मापदंडों को प्रभावित करेगा । dielectrophoretic बल कि एक nanowire अनुभवों समीकरण 18द्वारा दिया जाता है:

Equation 1

जहां एक ज्यामिति कारक है जो त्रिज्या और nanowire की लंबाई से संबंधित है,, बिजली क्षेत्र के मूल माध्य वर्ग का ग्रैडिएंट है, और Clausius-Mossotti फैक्टर Equation 2 (समीकरण 2) का वास्तविक भाग है । Equation 3 Equation 4

Equation 5

जहां और कण और मध्यम है permittivity, और उनकी चालकता है, और रवानगी की आवृत्ति है । Equation 6 Equation 7 Equation 8 Equation 9 Equation 10 2 समीकरणसे, बल चालकता और दोनों विलायक और nanomaterial के permittivity पर निर्भर है । यदि विलायक बदल गया है, यह काफी आवृत्ति बदल सकते है और nanowires विधानसभा के लिए प्रतिक्रिया बल । यह भी स्पष्ट है कि अलग nanowire सामग्री भी एक ही विलायक में अलग ढंग से प्रतिक्रिया होगी ।

Equation 11इंगित करता है कि, विभिंन आवृत्तियों पर, कण और अधिक या मध्यम, जो बारी में निर्धारित करता है कि उच्च विद्युत क्षेत्र ढाल (सकारात्मक रवानगी) या कम बिजली के क्षेत्र की ओर के क्षेत्र की ओर कदम nanowires की तुलना में अधिक से अधिक ध्रुवीकरण हो सकता है ग्रैडिएंट (ऋणात्मक DEP)1।

चित्रा 5 anisole में सिलिकॉन nanowires द्वारा अनुभवी बल के एक अनुकरणीय वक्र से पता चलता है. nanowires ११.९ के एक permittivity और २.५ एक्स 10-2 के लिए 5 एक्स 10-2 एस/एम. Anisole की एक permittivity है और 2 एक्स 10 के एक ग्रहण चालकता है-6 एस/एम के एक चालक माना जाता है । आवृत्ति जिस पर बल शून्य करने के लिए गिरता है भिन्न conductivities के लिए भिन्न है । प्रभाव लागू आवृत्ति1,2,24फेरबदल करके अपने रिश्तेदार चालकता और permittivity के आधार पर विभिन्न कणों का चयन करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । उच्च आवृत्तियों उच्च चालकता और जाल के एक कम घनत्व के साथ nanowires का चयन करने के लिए पाया गया है । यह चयन FET डिवाइसेस पर काफी बढ़-वर्तमान प्रति nanowire और सुधारित उप-थ्रेशोल्ड ढलान1के साथ होता है ।

यह प्रभाव इस्तेमाल किया इलेक्ट्रोड के प्रकार और सब्सट्रेट के झुकाव के कोण पर निर्भर करता है. हम अपने इलेक्ट्रोड के लिए इस प्रक्रिया को समायोजित करने के इच्छुक शोधकर्ताओं के लिए अनुशंसा करते हैं, एक समय में केवल एक पैरामीटर फेरबदल करके यह जांचना.

डिवाइस चैनल क्षेत्र में मौजूद nanowires की संख्या भी दोहराने वाले काम के उपकरणों को प्राप्त करने में महत्वपूर्ण है, के रूप में बहुत सारे nanowires एक चटाई में परिणाम के रूप में चित्रा 2cमें दिखाया जाएगा, जो गरीब I-V डिवाइस विशेषताओं के लिए नेतृत्व कर सकते हैं, nanowires के कारण एक दूसरे को परखने और चैनल पर गेट मैदान के प्रभाव को कम करने ।

nanowires के घनत्व को नियंत्रित करने के लिए, वोल्टेज, आवृत्ति, और निर्माण की एकाग्रता1बदल दिया जा सकता है । उदाहरण के लिए, nanowires की संख्या बढ़ाने के लिए, वोल्टेज बढ़ सकता है, या nanowire निर्माण की एकाग्रता बढ़ जाती है. क्योंकि यह एकत्र nanowires की गुणवत्ता पर मजबूत प्रभाव पड़ता है, तो आवृत्ति की कमी की सिफारिश नहीं की है, अगर उच्च प्रदर्शन nanowire उपकरणों के लिए तैयार किया जा रहे हैं रवानगी संकेत की आवृत्ति, एक बहुत ही महत्वपूर्ण पैरामीटर है । यह भी ध्यान दिया जाना चाहिए कि कुछ मामलों में एक उच्च वोल्टेज अत्यधिक nanowires का आयोजन करने के कुछ प्रकार के कारण हो सकता है19पिघला, या संपर्क क्षेत्रों जला ।

सारांश में, dep nanowire असेंबली एक बहुत शक्तिशाली तकनीक है, जब प्रतिबाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ युग्मित, उच्च गुणवत्ता nanowires के संग्रह के लिए रवानगी संकेत आवृत्तियों का मूल्यांकन करने के लिए अनुमति देता है. उच्च DEP संकेत आवृत्तियों में, 1-20 मेगाहर्ट्ज रेंज में, उच्च गुणवत्ता एसआई nanowire संग्रह, अच्छी तरह से नियंत्रणीय और प्रतिलिपि nanowire विधानसभा के लिए पहचान प्राप्त किया जा सकता है । कई मामलों में, दसियों के nanowire विधानसभा डिवाइस क्षेत्र प्रति nanowires के कुछ सौ के लिए उच्च प्रदर्शन nanowire ट्रांजिस्टर के प्रदर्शन के लिए पर्याप्त हैं. पद्धति nanowires और मैटीरियल्स के अंय प्रकार के विस्तार करने के लिए सरल है, अगर प्रत्येक सामग्री DEP संकेत1,2के लिए अपनी प्रतिक्रिया के संदर्भ में जांच की है ।

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

लेखक इस बात की पुष्टि करते हैं कि हितों का कोई टकराव नहीं है.

Acknowledgments

लेखक के लिए वित्तीय सहायता के लिए ESPRC और BAE प्रणालियों शुक्रिया अदा करना चाहते हैं, और प्रो ब्रायन ए Korgel और उनके समूह SFLS हो सिलिकॉन इस काम में इस्तेमाल nanowires की आपूर्ति के लिए ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silicon/silicon dioxide wafer, CZ method growth, 100mm diameter,  300 nm oxide thermal growth,  n-doped phosphorus Si-Mat (Silicon materials) - http://si-mat.com/
Acetone (200ml) Sigma Aldrich W332615 -
Isopropanol (200ml) Sigma Aldrich W292907 -
Deionised water (150ml) On site supply - -
Photoresist (A) SF6 PMGI under etch photoresit (approx 1 ml per sample) Microchem  - http://microchem.com/pdf/PMGI-Resists-data-sheetV-rhcedit-102206.pdf
Photoresist (B) S1805 photoresit) (approx 1 ml per sample) Microchem  - http://www.microchem.com/PDFs_Dow/S1800.pdf
Photoresist developer Microposit  MF319  (100ml) Microchem  - http://microchem.com/products/images/uploads/MF_319_Data_Sheet.pdf
Photoresist remover Microposit remover 1165 (300ml (2 baths 150 each)) Microchem  - http://micromaterialstech.com/wp-content/dow_electronic_materials/datasheets/1165_Remover.pdf

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Constantinou, M., Rigas, G. P., et al. Simultaneous Tunable Selection and Self-Assembly of Si Nanowires from Heterogeneous Feedstock. ACS Nano. , (2016).
  2. Constantinou, M., Hoettges, K. F., et al. Rapid determination of nanowires electrical properties using a dielectrophoresis-well based system. App. Phy. Lett. 110 (13), 1-6 (2017).
  3. Huang, H., Lee, Y. C., Tan, O. K., Zhou, W., Peng, N., Zhang, Q. High sensitivity SnO2 single-nanorod sensors for the detection of H2 gas at low temperature. Nanotech. 20 (11), 115501 (2009).
  4. Rutherglen, C., Jain, D., Burke, P. Nanotube electronics for radiofrequency applications. Nat. nanotech. 4 (12), 811-819 (2009).
  5. Kang, M. G., Hwang, D. H., Kim, B. S., Whang, D., Hwang, S. W. RF characterization of germanium nanowire field effect transistors. AIP Conf. Proc. 1399 (2011), 319-320 (2011).
  6. Collet, M., Salomon, S., et al. Large-scale assembly of single nanowires through capillary-assisted dielectrophoresis. Adv. Mat. 27 (7), 1268-1273 (2015).
  7. Pethig, R. Dielectrophoresis: Status of the theory, technology, and applications. Biomicrofluidics. 4 (2), (2010).
  8. Jones, T. B. Electromechanics of particles. (2), Cambridge University Press. (1995).
  9. El-Ali, J., Sorger, P. K., Jensen, K. F. Cells on chips. Nat. 442 (7101), 403-411 (2006).
  10. Doh, I., Cho, Y. H. A continuous cell separation chip using hydrodynamic dielectrophoresis (DEP) process. Sensrs. and Actrs, A: Phys. 121 (1), 59-65 (2005).
  11. Freer, E. M., Grachev, O., Duan, X., Martin, S., Stumbo, D. P. High-yield self-limiting single-nanowire assembly with dielectrophoresis. Nat. nanotech. 5 (7), 525-530 (2010).
  12. Monica, A. H., Papadakis, S. J., Osiander, R., Paranjape, M. Wafer-level assembly of carbon nanotube networks using dielectrophoresis. Nanotech. 19, 85303 (2008).
  13. Raychaudhuri, S., Dayeh, S. A., Wang, D., Yu, E. T. Precise semiconductor nanowire placement through dielectrophoresis. Nano Lett. 9 (6), 2260-2266 (2009).
  14. Schmidt, V., Riel, H., Senz, S., Karg, S., Riess, W., Gösele, U. Realization of a silicon nanowire vertical surround-gate field-effect transistor. Small. 2 (1), 85-88 (2006).
  15. Hanrath, T., Korgel, B. A. Supercritical fluid-liquid-solid (SFLS) synthesis of Si and Ge nanowires seeded by colloidal metal nanocrystals. Adv. Mat. 15 (5), 437-440 (2003).
  16. Heitsch, A. T., Akhavan, V. A., Korgel, B. A. Rapid SFLS synthesis of Si nanowires using trisilane with in situ alkyl-amine passivation. Chem. of Mat. 23 (11), 2697-2699 (2011).
  17. Constantinou, M., Stolojan, V., et al. Interface Passivation and Trap Reduction via a Solution-Based Method for Near-Zero Hysteresis Nanowire Field-Effect Transistors. ACS App. Mat. and Intf. 7 (40), 22115-22120 (2015).
  18. Kim, T. H., Lee, S. Y., et al. Dielectrophoretic alignment of gallium nitride nanowires (GaN NWs) for use in device applications. Nanotech. 17 (14), 3394-3399 (2006).
  19. Boote, J., Evans, S. Dielectrophoretic manipulation and electrical characterization of gold nanowires. Nanotech. 16 (9), 1500-1505 (2005).
  20. Gierhart, B. C., Howitt, D. G., Chen, S. J., Smith, R. L., Collins, S. D. Frequency Dependence of Gold Nanoparticle Superassembly by Dielectrophoresis. Langmuir. 23 (19), 12450-12456 (2007).
  21. Klaine, S. J., Alvarez, P. J. J., et al. Nanomaterials in the environment: behavior, fate, bioavailability, and effects. Environ. tox. and chem. / SETAC. 27 (9), 1825-1851 (2008).
  22. MicroChemicals Rehydration of Photoresists. , http://www.microchemicals.com/technical_information/photoresist_rehydration.pdf (2013).
  23. van Tilburg, J. W. W., Algra, R. E., Immink, W. G. G., Verheijen, M., Bakkers, E. P. A. M., Kouwenhoven, L. P. Surface passivated InAs/InP core/shell nanowires. Semicond. Sci. and Tech. 25 (2), 24011 (2010).
  24. Krupke, R. Separation of Metallic from Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes. Sci. 301 (5631), 344-347 (2003).

Tags

इंजीनियरिंग अंक १३० Semiconducting nanowires समाधान-processed क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर dielectrophoresis मैटीरियल्स स्व-विधानसभा उच्च प्रदर्शन मुद्रण योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स लचीला सब्सट्रेट
प्रवाह असिस्टेड Dielectrophoresis: उच्च प्रदर्शन समाधान के निर्माण के लिए एक कम लागत विधि-प्रक्रिया Nanowire उपकरणों
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Snashall, K., Constantinou, M.,… More

Snashall, K., Constantinou, M., Shkunov, M. Flow-assisted Dielectrophoresis: A Low Cost Method for the Fabrication of High Performance Solution-processable Nanowire Devices. J. Vis. Exp. (130), e56408, doi:10.3791/56408 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter