流动辅助介: 一种低成本的制备高性能溶液可纳米线器件的方法

Summary

本文对纳米线器件的自组装进行了流动辅助介。以硅纳米线场效应晶体管的制备为例。

Abstract

流辅助介 (DEP) 是一种高效的自组装方法, 可用于纳米线的可控、可重复定位、对准和选择。DEP 用于纳米线的分析、表征以及基于溶液的半导体器件的制造。该方法的工作原理是在金属电极之间应用交流电场。纳米线的配方, 然后下降到电极上, 在一个倾斜的表面, 以创造一个流动的配方使用重力。然后, 纳米线沿着电场的梯度和液体流动的方向排列。该场的频率可以调整, 以选择具有优越的导电率和较低的陷阱密度纳米线。

在这项工作中, 流辅助 DEP 用于创建纳米线场效应晶体管。流动辅助 DEP 有几个优点: 它允许选择纳米线的电学性质;纳米线长度的控制;纳米线在特定区域的放置;纳米线定向的控制;和控制纳米线密度的装置。

该技术可以扩展到许多其他应用, 如气体传感器和微波开关。该技术效率高、速度快、重现性好, 使用了少量的稀溶液, 使其适合于新型纳米材料的测试。纳米线器件的晶片规模组装也可以使用这种技术实现, 允许大量的样品用于测试和大面积电子应用。

Introduction

纳米粒子在预先定义的基底位置的可控性和可再生性组装是利用半导体或导电纳米粒子的解决方案处理的电子和光子器件的主要挑战之一。对于高性能器件来说, 能够选择具有优先尺寸的纳米粒子, 以及特殊的电子特性, 包括高导电性和低密度的表面陷阱状态, 也是非常有益的。尽管纳米线和纳米管材料的发展有了很大的进展, 但纳米粒子的某些特性始终存在, 选择步骤可以显著改善纳米粒子的性能^{1 ,2}。

在这项工作中演示的流辅助 DEP 方法的目的是通过向高性能纳米线场效应晶体管显示可控的半导体纳米导线组装到金属触点上来解决上述挑战。dep 解决了纳米线器件制造中的几个问题, 包括纳米导线的定位、纳米线的对准/定位、以及所需性能的纳米线的选择via dep 信号频率选择¹。DEP 已用于许多其他设备, 从气体传感器³, 晶体管¹, 和 RF 开关^4,5, 到细菌的定位分析⁷。

DEP 是通过非均匀电场的应用来操纵....

Protocol

警告: 除非另有规定, 所有的程序都要在干净的房间环境中进行, 并进行风险评估, 以确保纳米线和化学品处理过程中的安全。纳米材料可能有许多健康方面的影响, 这是未知的, 所以应该处理适当的照顾²¹。

注: 该过程从基板的制备开始, 然后是第一个光刻和金属沉积步骤来定义 DEP 接触。然后通过 DEP 组装纳米线, 再选择一个可选的光刻和金属沉积步骤, 将顶端接触物沉积到纳米线上。纳米线晶体管器件的电流电压特性, 然后使用半导体表征套件测量。

1. 基板的制备

1. 将掺杂的 n 型硅/二氧化硅晶片切割成合适的尺寸,例如, 2.5 厘米²。
2. 在切割过程中, 确保晶片的顶面不被触及或划伤。
3. 在一个连续的运动中, 用一个钻石划线在表面上进行切割。
4. 沿切口拆下晶片。
5. 将样品放在基板上, 在超音波浴中几种5分钟, 在100% 功率 (450 W), 先是在去离子水中, 然后是丙酮, 最后是异丙醇 (国际音标)。
   注意: 请参阅 CAS 编号和供应商的材料表。
6. 用氮气枪擦干基板, 去除表面上的任何残留的国际音标或灰尘。
7. 血浆灰分在氧等离子体中的样品在 100 W 为5分钟, ....

Results

双层光刻结果在清洁尖锐定义的电极。在示例 (图 1A) 中, digitated 的手指结构使用了10µm 的通道长度。当应用 DEP 力时, 这些结构允许大面积的纳米线的最大数目聚集。图 1B显示了底部栅纳米线 FET 装置的示意图。

不正确的纳米线分散浓度, 以及不足的超声可能导致质量较差的分散体, 在图 2A和 图 2B中显示的纳米导线的滴铸例子, 具有大量的纳米丝团.沉积非常致密的纳米线的分散体也可以产生不理想的质量层, 如图 2C所示。在这个例子中, 纳米线被沉积得太密, 从而产生了非常重要的纳米丝的筛分效果。一个.......

Discussion

器件的成功制造和性能取决于几个关键因素。这些包括纳米线的密度和在配方中的分布, 溶剂的选择, DEP 的频率, 以及对器件电极上存在的纳米导线数量的控制¹。

实现可重复工作装置的关键步骤之一是制备无簇或块状的纳米线配方。该配方可声前, 以减少团簇数量和保持纳米线分散。一个溶液的密度一旦被制造, 也很难控制, 特别是如果纳米线可能凝固, 这可能导致较不致密的配方。表面活性剂可用于制造更分散的配方, 但表面活性剂可能对器件性能产生负面影响。

图 2A显示了一个投影沉积纳米线的例子, 有大量的块状。如果纳米线的团簇难以去除, 或纳米线在超声¹⁶期间易受破坏, 建议允许解决方案几秒钟。然后, 该配方的顶部应 pipetted 关闭, 以供使用。均匀分散的纳米线浮在溶液的顶端, 而重纳米丝团簇下沉到底部。

溶剂和纳米材料的选择将.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
硅/二氧化硅晶片，CZ法生长，直径100mm，  300 nm氧化物热生长，  n-掺杂磷	硅垫（硅材料）		-http://si-mat.com/
丙酮（200ml）	Sigma Aldrich	W332615	-
异丙醇（200ml）	Sigma Aldrich	W292907	-
去离子水（150ml）	现场供应	-	-
光刻胶 （A） 蚀刻下 SF6 PMGI 光敏电阻（每个样品约 1 ml）	Microchem	-	http://microchem.com/pdf/PMGI-Resists-data-sheetV-rhcedit-102206.pdf
光刻胶 （B） S1805 光刻胶）（每个样品约 1 ml）	Microchem	-	http://www.microchem.com/PDFs_Dow/S1800.pdf
光刻胶显影剂 Microposit MF319 （100 毫升）	微化学	-	http://microchem.com/products/images/uploads/MF_319_Data_Sheet.pdf
光刻胶去除剂 Microposit remover 1165 （300ml （2 浴 150 个））	Microchem	-	http://micromaterialstech.com/wp-content/dow_electronic_materials/datasheets/1165_Remover.pdf