Waiting
Login processing...

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

Engineering

בסיוע זרימת Dielectrophoresis: שיטה בעלות נמוכה עבור הזיוף של התקני ננו-חוט processable-פתרון ביצועים גבוהים

Published: December 7, 2017 doi: 10.3791/56408

Summary

בנייר זה, הזרימה dielectrophoresis בסיוע הוכח עבור הרכבה עצמית של התקני ננו-חוט. הזיוף של טרנזיסטור אפקט שדה ננו-חוט סיליקון מוצג בתור דוגמה.

Abstract

Dielectrophoresis בסיוע זרימה (DEP) הוא יעיל שיטת הרכבה עצמית עבור לשליטה, מיצוב, יישור, הדירים מבחר nanowires. DEP משמשת לניתוח ננו-חוט, אפיון, המבוסס על פתרון ייצור של התקני מוליכים למחצה. השיטה פועלת על-ידי החלת שדה חשמלי לסירוגין בין האלקטרודות מתכתי. ניסוח nanowire מתנתק אז אל האלקטרודות אשר נמצאים פני השטח נוטה ליצור זרם של ניסוח באמצעות כוח הכבידה. Nanowires ואז ישר לאורך מעבר הצבע של השדה החשמלי, בכיוון של זרימת הנוזל. התדירות של השדה יכול להיות מותאם כדי לבחור nanowires עם מעולה מוליכות נמוכה יותר צפיפות מלכודת.

בעבודה זאת, בסיוע זרימה DEP משמש כדי ליצור ננו-חוט טרנזיסטורים אפקט שדה. DEP בסיוע זרימה יש כמה יתרונות: הוא מאפשר בחירה של ננו-חוט תכונות חשמליות; שליטה על ננו-חוט אורך; המיקום של nanowires בתחומים ספציפיים; שליטה על כיוון של nanowires; ושליטה של צפיפות nanowire במכשיר.

ניתן להרחיב את הטכניקה ליישומים רבים אחרים כגון גז חיישנים ומתגים מיקרוגל. הטכניקה היא יעילה, מהירה, לשחזור, היא משתמשת כמות מזערית של פתרון שתדללו שהופך אותו אידיאלי עבור בדיקה של ננו-חומרים חדשניים. וופל הרכבה בקנה מידה של התקני ננו-חוט אפשר להשיג בעזרת טכניקה זו, המאפשר מספר רב של דוגמאות לבדיקות שטח גדול ליישומים אלקטרוניים.

Introduction

הרכבה לשליטה, לשחזור של חלקיקים במקומות מוגדרים מראש המצע הוא אחד האתגרים העיקריים בפתרון-עיבוד אלקטרוני פוטוני מכשירים ניצול חלקיקים מוליכים למחצה או ניצוח. עבור התקני ביצועים גבוהים, זה גם מאוד מועיל שניתן יהיה לבחור חלקיקים עם גדלי מועדף, ואת תכונות אלקטרוניות מסוים, כולל, לדוגמה, מוליכות גבוהה בצפיפות נמוכה של מלכודת משטח הברית. למרות התקדמות משמעותית בצמיחה ננו-חומרים, כולל חומרים ננו-חוט nanotube, וריאציות של ננו-חלקיק מאפיינים הם תמיד נוכחים, צעד הבחירה באופן משמעותי לשפר ביצועי התקן מבוסס על ננו-חלקיק1 ,2.

מטרת השיטה DEP בסיוע זרימה להדגים בעבודה זו היא כתובת האתגרים לעיל על-ידי הצגת לשליטה מוליכים למחצה ההרכבה nanowires אל אנשי קשר מתכתי עבור ביצועים גבוהים nanowire שדה אפקט טרנזיסטורים. DEP פותר מספר בעיות של ננו-חוט ייצור המכשיר בצעד אחד לרבות מיקום nanowires, יישור/אוריינטציית nanowires, ומבחר nanowires עם המאפיינים הרצויים ויה DEP האות בתדר בחירה1. DEP שימש להתקנים רבים אחרים החל חיישנים גז3, טרנזיסטורים1, ועובר RF4,5, המיקום של חיידקים עבור ניתוח7.

DEP הוא המניפולציה של חלקיקים polarizable דרך היישום של שדה חשמלי לא אחידה, וכתוצאה מכך nanowires הרכבה עצמית מעבר אלקטרודות8. השיטה פותחה במקור עבור המניפולציה של חיידקים9,10 , אבל מאז הורחבה כדי המניפולציה של nanowires ו ננו.

DEP פתרון עיבוד של חלקיקים מאפשר ייצור המכשיר מוליכים למחצה השונה באופן משמעותי מזה של טכניקות מסורתיות מלמעלה למטה, בהתבסס על מספר photomasking, implantation יון, טמפרטורה גבוהה14, חישול, ו תחריט שלבים. כיוון DEP מתפעל חלקיקים זה כבר צריך להיות מסונתז, היא טכניקה11פבריקציה נוספת בטמפרטורה נמוכה, מלמטה למעלה. גישה זו מאפשרת nanowire בקנה מידה גדול מכשירים הניתנים להרכבה על כמעט כל המצע כולל מצעים פלסטיק הרגיש, גמיש6,12,13.

בעבודה זאת, ביצועים גבוהים מסוג p הסיליקון ננו-חוט שדה אפקט טרנזיסטורים מיוצרים באמצעות DEP בסיוע זרימה, אפיון זרם-מתח FET מתנהל. Nanowires סיליקון להשתמש בעבודה זו גדלים באמצעות ה15,בשיטת סופר נוזל נוזל מוצק (SFLS)16. Nanowires במכוון מסטול, ויש כ 10-50 מיקרומטר באורכו של 30-40 ננומטר בקוטר. שיטת גידול SFLS הוא מאוד אטרקטיבי מאז שהוא יכול להציע תעשיית מדרגי כמויות של חומרים ננו-חוט15. המתודולוגיה המוצעת nanowire הרכבה ישימה ישירות על חומרים ננו-חוט מוליך למחצה אחרים כגון אינאס13, שוקולדים23וגן18. גם ניתן להרחיב את הטכניקה כדי ליישר nanowires מוליך19 ו למיקום חלקיקים על פני האלקטרודה פערים20.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

שים לב: כל ההליכים אלא אם אחרת מתקיים כאמור הערכות סיכונים וסביבה חדר נקי נעשו כדי להבטיח בטיחות במהלך nanowires וכימיקלים טיפול. ננו עשוי יש מספר שההכנות אשר החל כבר ידוע, אז צריך להיות מטופל עם המתאים אכפת21.

הערה: התהליך מתחיל עם הכנת מצעים, ואחריו פוטוליתוגרפיה ומתכת התצהיר הצעדים הראשונים כדי להגדיר את אנשי הקשר של מניעת ביצוע נתונים. Nanowires הם ואז באמצעות מניעת ביצוע נתונים ו צעד נוסף אופציונלי photolithographic, מתכת התצהיר יכול להתבצע להפקיד את הקשר העליון על גבי nanowires. ננו-חוט טרנזיסטור התקני מתח זרם המאפיינים ואז נמדדים באמצעות ערכת אפיון מוליכים למחצה.

1. הכנת מצעים

  1. חותכים רקיק דו תחמוצת סיליקון מסוג n מסומם/סיליקון בגדלים מתאימים, למשל, 2.5 ס מ2.
  2. במהלך חיתוך, ודא המשטח העליון של כשהפחד אינו נגע או שרוט.
  3. הפעל גם יהלום על פני השטח. בתנועה רציפה אחת לעשות חתך.
  4. לפצל את פרוסות לאורך החתך.
  5. מניחים את הדוגמאות על בעל המצע, sonicate במשך 5 דקות באמבט אולטרא סונית ב 100% כוח (450 W), קודם מים יונים, אצטון, ואז סוף סוף אלכוהול איזופרופיל (IPA).
    הערה: ראה טבלה של חומרים עבור רשויות אישורים מספרים וספקים.
  6. יבש את מצעים עם אקדח חנקן כדי להסיר כל IPA הנותרים או אבק מפני השטח.
  7. פלסמה אפר הדגימות בפלסמה חמצן 100 W עבור 5 דקות כדי להסיר את כל שאריות אורגניות הנותרים.

2. פוטוליתוגרפיה תהליך Bilayer עבור אנשי קשר

הערה: תהליך פוטוליתוגרפיה bilayer משמש ליצירת אלקטרודות. תהליך פוטוליתוגרפיה מתנהל בחדר צהוב כדי למנוע ריקבון של חומרים photoresist.

  1. מחממים את המדגם ב 150 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות באמצעות פלטה, כדי להסיר את כל יתרת כמות המים מפני השטח.
    הערה: זאת על מנת להבטיח הדבקה של photoresist; עם זאת תחל כימיים כגון HMDS יכול גם לשמש.
  2. הסר את הדגימה הכיריים ומניחים אותו על ספין-coater.
  3. באמצעות פיפטה, ירידה בערך 1 מ"ל של photoresist A על פני השטח עד המדגם כולו מכוסה בצורה אחידה.
    הערה: ראה טבלה של חומרים photoresist המדויק פעם.
  4. ספין המדגם ב- 4,000 סל ד עבור 45 s, כדי לייצר עובי הסרט של 250 ננומטר. אם אלקטרודות אשר הם עבים יותר 150 nm הם להפקיד, לשנות את המתכון הזה.
  5. הסר את הדגימה של הספין-coater ומניחים אותו על גזייה ב 150 מעלות צלזיוס במשך 5 דקות.
  6. להסיר את הדגימה פלטת הבישול ולהשאיר את הדגימה כדי לנוח 5 דקות בקופסת 50% לחות. הדבר נועד להבטיח התייבשות של photoresist22.
    הערה: אם הלחות של המעבדה גדול מ- 50%, המדגם עלול להישאר לנוח באוויר.
  7. מקם את הדגימה חזרה אל הספין-coater, פיפטה כ- 1 מ ל photoresist B על פני המצע.
  8. ספין המדגם-3500 סל ד עבור 45 s, נותן עובי הסרט של 500 ננומטר.
  9. מקם את הדגימה על גזייה ב 120 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות.
  10. הסר את הדגימה פלטה ולהשאיר לנוח בתיבת לחות 50% במשך 5 דקות.
  11. לחשוף את הדגימה באמצעות המסכה-aligner photomask לאור אולטרא סגול על 6.7 s עבור סכום כולל של 180 mJ של חשיפה.
    הערה: המינון המדויק לחשיפה שאולי צריכים להיות מותאמים בהתאם דגם מסוים של המסכה aligner.
  12. המדגם להסיר המסכה-aligner ולפתח במועט זה ב photoresist מפתח עבור 30 s.
    הערה: ראה טבלה של חומרים עבור היזם המדויק.
  13. הסר את הדגימה של היזם, לטבול את הדגימה למים יונים, לשטוף אותו כדי לעצור את תהליך הפיתוח.
  14. בדוק את פוטוליתוגרפיה נעזרת במיקרוסקופ אופטי. מקטב יכול לשמש כדי לבדוק את שיפול bilayer אשר אמור להופיע כמו הקווים העמומים סביב הערוץ. הזמן עשוי להיות מותאם אם יותר מדי או שניים קצת לערער מושגת.

3. בתצהיר של אנשי קשר מתכת

הערה: אלקטרון קרן (E-קרן) התצהיר משמש להפקיד אלקטרודות על photoresist מוכן. תהליך זה ניתן גם להשתמש מפזרי חום או סוגים אחרים של טכניקות התצהיר מתכת סרט דק.

  1. מקם את הדגימות בבית הבליעה E-קרן; לסל למטה עד ואקום גבוה. במקרה זה, ניתן להגיע ואקום של mTorr-6 בסביבות 1 x 10.
  2. הפקדת ננומטר 2-6 של טיטניום אשר משמש כשכבת אדהזיה ואחריו 30 nm של זהב עבור אנשי הקשר DEP.
  3. הסר את הדגימות מן החדר E-קרן.
  4. בצע את ההליך ההמראה על-ידי הסרת רוב photoresist העודפים. פעולה זו מתבצעת על-ידי הצבת הדגימות לתוך גביע photoresist אקולוגי למשך 15 דקות.
  5. הסר את הדגימות הספל של מסיר photoresist A ולמקם לתוך הספל נקי אחר של photoresist מסיר במשך 15 דקות נוספות. הדבר נועד למנוע כל חלקיקי מתכת גדול להתיישב על הדגימה.
  6. המראה המלא מאת sonicating את. הספל למשך 5 דקות ב- 50% חשמל.
  7. הסר את הדגימות האמבט אחד-אחד, הבטחת כדי לשטוף כל חומר עם IPA למניעת חלקיקי מתכת רצויה ליישב בין האלקטרודות.
    הערה: האלקטרודות מוכנות עכשיו כדי שיישור DEP nanowires.

4. מניעת ביצוע נתונים של Nanowires

  1. להכין פתרון של סיליקון או אחרים nanowires ב anisole של 1 ריכוז µg/mL. בניסוי זה, הפתרון הוא sonicated בקצרה 15 s-הכוח הנמוך הגדרת ניתן להסיר כל flocculation. ממיסים אחרים יכול לשמש כמו טולואן ו N, N-dimethylformamide (DMF)1.
  2. בדוק את הפתרון על ידי ירידה הליהוק של µL 10 של ניסוח ננו-חוט על גבי מצע ההקרבה.
  3. בדוק את המצע עם הפקיד nanowires באמצעות מיקרוסקופ אופטי מקוטב (POM). Nanowires סיליקון birefringent, ומכאן ניתן לראות בקלות בפום. אם יש גושים nanowire לא גלוי, רוב nanowires טוב הם התפזרו על המצע, אז השלב הבא יכול להתחיל אחרת הפתרון הוא sonicated מחדש, הריכוז nanowire אולי צריכים להיות מותאמים. ייתכן שיחלפו מספר ניסיונות להשיג את פיזור nanowire הנכון.
  4. מקום פלטפורמת מדגם מוכן עם אלקטרודות על 30 מעלות (לעומת האופק) נוטה עם הערוץ התקן המיושרים אופקית. כיוון הזרימה של פיזור צריך להיות בניצב הקצוות אלקטרודות כדי לאפשר יישור nanowire יעיל יותר.
  5. צור קשר עם האלקטרודות באמצעות מיקרו-הגששים מחובר הגנרטור תדר1.
  6. להגדיר שהתדירות ואת המתח דולקים הגנרטור תדר. בניסוי זה, השתמש DEP אות מתח של 10 V שיא אל שיא sinewave של 1 מגה-הרץ.
    הערה: להגדיל את התדירות עד 20 מגה-הרץ יכול לעזור לאסוף nanowires עם מוליכות גבוהה ההשמנה נמוך צפיפות1,2. ראה התייחסות1 עבור דיון מפורט. טווח תדר של אות ה-DEP שצוין כאן הושג על-ידי ניצוח SFLS Si nanowires ספקטרוסקופיה ו אוסף זמן ניתוח אימפדנס, כפי שמתואר אסמכתא1. סוגים אחרים של nanowires עם הניידות הספק תשלום גבוה או נמוך, מסטול nanowires, או nanowires מתקבל על ידי שיטות גידול אחרות יכול להיות שונה DEP אות תדר בטווח והתוצאה היא האוסף של nanowires באיכות גבוהה.
  7. הבורר-שעל הגנרטור תדירות ושחרר כ 10 µL של ננו-חוט פתרון באמצעות micropipette אל אזור ההתקן.
    הערה: הצבת המדגם בזווית (30 מעלות) מסייעת ליצור זרם איטי בסיוע הכובד של הנוזל. לחלופין, נימיות סלייד זכוכית ניתן להשתמש6.
  8. להחיל את ה-DEP אות עבור 30 s וואז בורר את הגנרטור תדר.
  9. הסר את הדגימה ולשטוף בעדינות עם IPA.
  10. המדגם בעדינות באמצעות אקדח חנקן יבש-off. מיקרוסקופ אופטי מקוטב עשוי לשמש כדי לבחון את הדגימה ולכוונן פרמטרים
    הערה: המתח אות ' מניעת ביצוע נתונים ', ו את דחיסות נפיצה nanowire יכול להיות מותאם כדי להשיג צפיפות הרצוי לשחזור של nanowires, מן nanowires כמה עד כמה מאות לכל התקן1,2.

5. התצהיר של שכבת מתכת משני

  1. כדי להשיג משופרת נוכחי הזרקת ב NW FETs, החל איש קשר מתכתי נוסף על גבי ננו-חוט.
    הערה: תהליך זה בתצהיר קשר בעקבות הפעולות בדיוק כמו סעיפים 2 ו- 3, פוטוליתוגרפיה והן התצהיר מתכת, חוץ מזה רק שכבת זהב משולמת לזכאים.

6. אני-V אפיון התקני ננו-חוט

הערה: הדגימות הושלמו, וניתן להשתמש בניסויים הבאים או המאפיינים שלהם-V ניתן למדוד להקים nanowire FET תכונות חשמליות. ההתקנים מפוברק הם ממותגת בחזרה FETs, שבו פרוסות סיליקון מסומם משמש השער נפוצות, שכבה2 SiO משמש חומר דיאלקטרי השער.

  1. ליצור קשר חשמלי עם השער, להסיר את אזור קטן של תחמוצת סיליקון בקצה של המדגם באמצעות גם יהלום.
  2. להשתמש באקדח חנקן כדי להסיר את כל החלקיקים רצויה צורן דו-חמצני.
  3. במקום שלושה microprobes (מקור ניקוז, שער) על מקור זהב-ניקוז אלקטרודה עם אנשי הקשר עם החללית שער על האזור עם SiO שהוסר2.
  4. השתמש מערכת איפיון מוליכים למחצה כדי לקחת מידות-V.
  5. למדוד סריקות העברה והפלט של NW FETs כמו אלה לתת מידע על הביצועים של המכשיר, מאפייני17,1,23nanowires חשמלית. שימו לב כי העברת מדידות לערב מתח המקור-ניקוז דריכה ומתח שער באופן גורף. המאפיינים פלט נמדדים על ידי גורף מתח המקור-ניקוז לדרוך השער מתח.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

תוצאות פוטוליתוגרפיה bilayer על נקי מוגדרים בחדות אלקטרודות. בדוגמה (איור 1 א'), שימש מבנה האצבע הבין-digitated באורך ערוץ 10 מיקרומטר. מבנים אלה מאפשרים שטח גדול להרכיב את המספר המרבי של nanowires כאשר הכוח DEP מוחל. איור 1B מראה סכימטי של מכשיר nanowire FET התחתון-שער.

ריכוז פיזור nanowire שגוי, sonication באותה מידה כמו מחסור יכול לגרום דיספרסיות אקריל באיכות ירודה, עם ירידה יצוק דוגמאות nanowires באיור איור 2A ו- איור 2B, עם כמות משמעותית של ננו-חוט קיבוץ. DEP הפקדת דיספרסיות סטירול nanowire צפופה מאוד גם להפיק איכות לא רצויה שכבות של nanowires כפי שמוצג באיור 2C. בדוגמה זו, nanowires מופקדים גם בצפיפות, וכתוצאה מכך אפקט הקרנה nanowire מאוד משמעותי-ננו-חוט. דוגמה טובה DEP התצהיר מוצג איור דו-ממדי, הוכחת nanowires מפוזר היטב, מבודד, מיושר.

DEP בסיוע זרימה של nanowires צריך לגרום nanowires בניצב שחצה את התעלה עם חפיפה בין מספר מיקרונים אל האלקטרודה כמוצג באיור3. ניתן לקרב את ערכיהן הרכבה nanowire אידיאלי בתור "טפט" מיושר היטב. בנוסף, פער קטן בין nanowires הוא העדיף להפחית את nanowire הקרנת אפקט. דוגמה של הרכבה nanowire לשליטה על ידי זרימה DEP בסיוע מוצג באיור 3A ו איור 3B, איפה DEP אות מתח הוקטן ב איור 3B, וכתוצאה מכך מספר קטן יותר באופן משמעותי nanowires שהופקדו הפער אלקטרודה.

סריקות העברה והפלט של טרנזיסטור אפקט שדה ננו-חוט סיליקון טיפוסי מוצגים באיור4. התוצאות מדגימים כי המכשיר יש התנהגות מסוג p, עם אפנון שער מוגדרים היטב. תוצאות אלו להשוות היטב עם אחרים טרנזיסטורים nanowire מפוברק תוך שימוש באותה השיטה הספרות1,2; עם זאת, התקנים אלה יכול להיות גם שיפור בטכניקות כגון פסיבציה משטח שאינו שנדונו כאן17. פתרון עיבוד הסיליקון שננו-חוט FETs הצגתי לראווה על זרמים כמו בגובה של milliamp ברמה1; עם זאת, עבור יישומים רבים, FETs עם זרמי מיקרו-amp הן מספקות.

Figure 1
איור 1: תמונה אופטי ו סכמטית הטרנזיסטור. (א) תמונת מיקרוסקופ אופטי אלקטרודה interdigitated מבנים עם nanowires מיושר בין האלקטרודות. תיאור סכמטי של התחתון-שער nanowire שדה – אפקט טרנזיסטור בנוי על סי/SiO2 וופל עם שער משותף סי (B). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: Polarized תמונות מיקרוסקופ אופטי של פתרון להפקיד nanowires סיליקון. (א) דוגמה ירידה nanowires שיוטל סיליקון של פיזור unoptimized, מציג מספר משמעותי של ננו-חוט גושים. (B) ירידה יצוקה nanowires sonication קצרה עם גושים פחות. (ג) המכשיר לאחר שמניעת ביצוע נתונים שגויים מציג צפיפות גבוהה מאוד של nanowires, ובתצורות. (ד) המכשיר לאחר נכונות התצהיר DEP מציג מסודרים היטב, מבודדים nanowires חוצה את הפערים אלקטרודה. חצים אדומים מציינים את כיוון זרימת נוזלים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: מקוטב במיקרוסקופ אופטי תמונות של מניעת ביצוע נתונים לשליטה, הפקדת nanowires סיליקון. (א) Nanowires שהתאסף באתר DEP אות מתח גבוה (15 V), צפיפות גבוהה מראה של nanowires מיושר. Nanowires (B) התכנסו ב- DEP מתח נמוך (5 V), עם רק שתי nanowires גישור האלקטרודות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4 : המאפיינים-V של התקנים טיפוסי nanowire FET- (א) FET העברת סריקה של ננו-חוט סיליקון התחתון מגודרת FET התקן עם אלקטרודות זהב. המתחים ניקוז הן קטנות מ- 0.1 -0.5 V עם -0.1 V מתח מרווח ושער נסחפת בין 10 ל-40 (פ') (B) פלט סריקה של אותו התקן עם שער המדורג מתח בין 0 ל-40 V עם-5 V מרווחי והיו ניקוז swept מתח בין 0 ל- 0.5 נ' Nanowires התכנסו ב- DEP אות ב 2 מגה הרץ ו-10 Vpp. FET מדגים 5 הרשות הפלסטינית את זרם (VG = 0 V), 5 µΑ על זרם-VD= 0.5 V, וכתוצאה מכך 106 - 10 7/ביטול יחס שוטף. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: מדומה עלילה בכוח DEP לעומת ממירי nanowires סיליקון ב anisole עם conductivities שונות. In the סימולציה, יש nanowires המקדם הדיאלקטרי של 11.9 מוליכות של בין 2.5 x 10-2 S/m כדי 10 x 10-2 Anisole S/מ של המקדם הדיאלקטרי של 4.33, וצבר של מוליכות המשוערת של 2 x 10-6 הערה S/מ שיש conductivities גבוהה יותר תדירות גבוהה יותר שבו הכוח צונח לאפס. מגמה זו מציינת שכי nanowires מוליכות גבוהה יותר ניתן לאסוף על תדירות גבוהה יותר של אות ה-DEP. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ייצור מוצלח והביצועים של המכשירים תלויים במספר גורמים מרכזיים. אלה כוללות nanowire צפיפות, התפלגות ניסוח, הבחירה של הממס, התדירות של DEP את הפקד של מספר nanowires הנוכחי אלקטרודות מכשיר1.

אחד השלבים הקריטיים להשגת הדיר עובדת מכשירי הוא הכנת ניסוח nanowire ללא אשכולות או גושים. יכול להיות sonicated ניסוח לפני DEP כדי להפחית את מספר גושים וכדי לשמור על פיזור ננו-חוט. צפיפות של פתרון פעם עשה יכול להיות גם קשה לשלוט במיוחד אם nanowires סביר והקרשה אשר יכול להוביל ניסוח פחות צפוף. פיתחה עשוי לשמש ליצירת יותר לפזר ניסוח, אולם חומרים פעילי שטח עשויה להיות בעלת השפעה שלילית של ביצועי המכשיר.

איור 2A מראה דוגמה של ירידה יצוקה שהופקדו nanowires, עם מספר משמעותי של גושים. אם גושים של nanowires קשים להסרה או nanowires רגישים שבירת במהלך sonication16, מומלץ כי הפתרון יהיה מותר להתפשר על כמה שניות. צריך אז pipetted העליון של ניסוח מחוץ לשימוש. Nanowires מפוזר היטב לצוף על הפתרון, ואילו אשכולות nanowire כבד שקעו.

הבחירה של הממס, nanomaterial תשפיע על הפרמטרים בשלב העדות DEP. הכוח dielectrophoretic nanowire חוויות ניתנת על ידי משוואה 18:

Equation 1

איפה Equation 2 הוא גורם הגיאומטריה במה שקשור רדיוס ואורך ננו-חוט, Equation 3 הוא הדרגתיות של שורש ממוצע הריבועים של השדה החשמלי, ו Equation 4 הוא החלק האמיתי של הגורם קלאוזיוס-Mossotti (משוואה 2).

Equation 5

איפה Equation 6 , Equation 7 הם חלקיקים ו בינונית של הדיאלקטרי, Equation 8 , Equation 9 הם של מוליכות שלהם, ו Equation 10 הוא התדירות של מח' משוואה 2, הכוח הוא תלוי מוליכות ועל המקדם הדיאלקטרי של הממס וגם את nanomaterial. אם הממס משתנה, זה עשוי באופן משמעותי לשנות את התדר, כוח התגובה להרכבת nanowires. זה גם ניכר חומרים ננו-חוט שונים יגיבו באופן שונה אפילו בתוך הממס אותו.

Equation 11מצביע על כך, בתדרים שונים, החלקיק יכול להיות פחות או יותר polarizable מאשר המדיום, אשר בתורו קובע אם nanowires לנוע לכיוון האזור של שדה חשמלי גבוה מעבר צבע (DEP חיובי) או לכיוון האזור של שדה חשמלי נמוך מעבר צבע (DEP שלילי)1.

איור 5 מציג עקומה מדומה של הכוח מנוסים על ידי nanowires סיליקון anisole. Nanowires היא כי יש של המקדם הדיאלקטרי של 11.9 מוליכות של 2.5 x 10-2 עד 5 10x-2 Anisole S/מ' של המקדם הדיאלקטרי של 4.33, וצבר של מוליכות המשוערת של 2 x 10-6 S/m. התדירות שבה הכוח צונח לאפס שונה עבור conductivities שונים. האפקט עשוי לשמש כדי לבחור חלקיקים שונים מבוסס של המקדם הדיאלקטרי המוליכות היחסית שלהם על ידי שינוי תדירות יישומית1,2,24. תדרים גבוהים יותר נמצאו לבחירת nanowires עם מוליכות גבוהה יותר, צפיפות נמוכה יותר של מלכודות. בחירה זו מובילה FET מכשירים עם מוגבר באופן משמעותי על זרם לכל nanowire וסף תת משופרת מדרון1.

אפקט זה תלוי בסוג של אלקטרודות משמש ואת זווית הנטייה של המצע. מומלץ לחוקרים המבקשים לשנות תהליך זה כדי אלקטרודות שלהם, כדי לכייל את זה על ידי שינוי פרמטר אחד בלבד בכל פעם.

מספר nanowires הנוכחים בשטח ערוץ מכשיר חיוני גם בהשגת הדיר עובדת מכשירי, כפי nanowires מדי תגרום שטיחון כפי שמוצג באיור 2C, אשר יכול להוביל את המאפיינים של התקנים המסכן אני-V, עקב nanowires הקרנה אחד את השני, צמצום השפעת השדה שער על הערוץ.

כדי לקבוע את הצפיפות של nanowires, מתח, תדירות, ריכוז של ניסוח עשוי להיות שונה1. לדוגמה, כדי להגדיל את מספר nanowires, ניתן להאריכו מתח, או ריכוז של ניסוח nanowire גדל. התדר של האות DEP הוא פרמטר חשוב מאד, יש לו השפעה על איכות nanowires שנאספו, כך הפחתת התדירות לא מומלץ, אם התקנים ננו-חוט ביצועים גבוהים להיות מוכנים. יש גם לציין כי במקרים מסוימים מתח גבוה עלולה לגרום לסוגים מסוימים של מאוד ניצוח nanowires להמיס19, או לשרוף את אזורי קשר.

לסיכום, הרכבה nanowire DEP הוא טכניקה רבת עוצמה, כאשר משולב עם עכבה ספקטרוסקופיה, המאפשר להעריך את התדרים אות DEP עבור האוסף של nanowires באיכות גבוהה. בתדרים אות DEP גבוהה, בטווח 1-20 מגה-הרץ, מזוהה לאוסף nanowire סי באיכות גבוהה, ניתן לקבל הרכבה nanowire טוב-לשליטה, לשחזור. במקרים רבים, ננו-חוט הרכבה של עשרות עד כמה מאות של nanowires לכל אזור ההתקן מספיקים עבור ההדגמה של ביצועים גבוהים nanowire טרנזיסטורים. המתודולוגיה היא פשוטה להאריך סוגים אחרים של nanowires ו ננו, אם כל חומר נבדק במונחי את תגובתה DEP אות1,2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים לאשר כי ישנם שאין ניגודי אינטרסים.

Acknowledgments

המחברים רוצה להודות ESPRC מערכות BAE עבור תמיכה כספית, ו פרופסור. בריאן א Korgel וחבורתו לאספקת SFLS גדל nanowires סיליקון להשתמש בעבודה זו.

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

הנדסה גיליון 130 Semiconducting nanowires פתרון-processable שדה – אפקט טרנזיסטורים dielectrophoresis ננו-חומרים הרכבה עצמית ביצועים גבוהים אלקטרוניקה להדפסה מצעים גמיש
בסיוע זרימת Dielectrophoresis: שיטה בעלות נמוכה עבור הזיוף של התקני ננו-חוט processable-פתרון ביצועים גבוהים
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