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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本文内容
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....
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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。
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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 |
参考文献
- Constantinou, M., Rigas, G. P., et al. Simultaneous Tunable Selection and Self-Assembly of Si Nanowires from Heterogeneous Feedstock. ACS Nano. , (2016).
- Constantinou, M., Hoettges, K. F., et al. Rapid determination of nanowires electrical properties using a dielectrophoresis-well based system. App. Phy. Lett. 110 (13), ....
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