Summary
In questa carta, flusso dielettroforesi assistita è dimostrata per l'auto-assemblaggio di dispositivi nanofilo. La realizzazione di un transistor a effetto di campo nanowire silicio è indicata come un esempio.
Abstract
Flusso-assistita dielettroforesi (DEP) è un efficiente metodo di auto-assemblaggio per il controllabile e riproducibile posizionamento, allineamento e selezione di nanofili. DEP è utilizzato per nanowire analisi, caratterizzazione e per la soluzione a base di fabbricazione di dispositivi semiconduttori. Il metodo funziona applicando un campo elettrico alternato tra elettrodi metallici. La formulazione di nanowire poi è caduta sugli elettrodi che sono su un piano inclinato per creare un flusso della formulazione utilizzando la gravità. I nanofili quindi allineare lungo il gradiente del campo elettrico e nella direzione del flusso del liquido. La frequenza del campo può essere regolata per selezionare nanofili con conducibilità superiore e più bassa densità di trappola.
In questo lavoro, assistita da flusso DEP viene utilizzato per creare nanowire transistor ad effetto di campo. Flusso-assistita DEP ha diversi vantaggi: permette la selezione di nanowire proprietà elettriche; controllo della lunghezza di nanowire; posizionamento di nanofili in ambiti specifici; controllo dell'orientamento dei nanofili; e controllo della densità di nanowire nel dispositivo.
La tecnica può essere ampliata a molte altre applicazioni come sensori di gas e forno a microonde switch. La tecnica è efficace, rapido e riproducibile, e utilizza una quantità minima di soluzione diluita che lo rende ideale per la sperimentazione di nuovi nanomateriali. Montaggio scala wafer di nanowire dispositivi può essere ottenuto anche utilizzando questa tecnica, consentendo un numero elevato di campioni per il test e applicazioni elettroniche di grande superficie.
Introduction
Assemblea controllabile e riproducibili di nanoparticelle in posizioni pre-definito substrato sono una delle sfide principali nella soluzione di elaborazione elettroniche e fotoniche dispositivi che utilizza nanoparticelle di semiconduttori o conduttori. Per dispositivi ad alte prestazioni, è anche estremamente utile per poter selezionare le nanoparticelle con dimensioni preferenziali, particolare proprietà elettroniche, tra cui, ad esempio, alta conducibilità e bassa densità degli Stati di superficie trappola. Nonostante i significativi progressi nello sviluppo di nanomateriali, compresi materiali nanowire e nanotubi, alcune variazioni delle proprietà delle nanoparticelle sono sempre presenti, e una fase di selezione può migliorare significativamente le prestazioni dei dispositivi basati su nanoparticelle1 ,2.
Lo scopo del metodo DEP flusso-assistita ha dimostrato in questo lavoro è quello di affrontare le sfide sopra mostrando Assemblea nanofili semiconduttori controllabile sul contatti metallici per transistor ad effetto di campo nanowire ad alte prestazioni. DEP risolve diversi problemi di nanowire fabbricazione di dispositivi in un unico passaggio tra cui posizionamento di nanofili, orientamento di allineamento di nanofili e selezione di nanofili con proprietà desiderate tramite DEP segnale frequenza selezione1. DEP è stato utilizzato per numerosi altri dispositivi che vanno da gas sensori3, transistor1, e RF switches4,5, al posizionamento di batteri per analisi7.
DEP è la manipolazione delle particelle polarizzabile tramite l'applicazione di un campo elettrico non uniforme conseguente nanofili autoassemblaggio attraverso gli elettrodi8. Il metodo è stato originariamente sviluppato per la manipolazione di batteri9,10 , ma da allora è stato espanso per la manipolazione di nanofili e nanomateriali.
Elaborazione soluzione DEP di nanoparticelle permette la fabbricazione di dispositivi a semiconduttore che differisce significativamente dalle tecniche tradizionali di top-down basate su più photomasking, l'impiantazione ionica, ad alta temperatura14, ricottura e acquaforte a pochi passi. Poiché DEP manipola le nanoparticelle che già sono state sintetizzate, è una tecnica di fabbricazione di bassa temperatura, bottom-up11. Questo approccio consente di nanowire su larga scala di dispositivi essere montato su quasi qualsiasi substrato cui substrati plastici termosensibili, flessibile6,12,13.
In questo lavoro, transistor ad effetto di campo ad alte prestazioni p-tipo silicone nanowire sono fabbricati con DEP flusso-assistita e la caratterizzazione di corrente-tensione di FET è condotto. I nanocavi di silicio utilizzati in questo lavoro vengono coltivati tramite il Super fluido liquido solido (SFLS) metodo15,16. I nanofili sono intenzionalmente drogati e sono circa il 10-50 µm di lunghezza e 30-40 nm di diametro. Il metodo di crescita SFLS è molto interessante poiché può offrire industria scalabili importi di nanowire materiali15. La metodologia di assemblaggio proposto nanofilo è direttamente applicabile ad altri materiali di nanofilo semiconduttore come InAs13, SnO23e GaN18. La tecnica può essere espanso per allineare nanofili conduttivo19 e per posizionare le nanoparticelle attraverso elettrodo lacune20.
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Protocol
Attenzione: Tutte le procedure a meno che non altrimenti dichiarato hanno luogo in una camera pulita e valutazioni per ambiente e rischio sono state fatte per garantire la sicurezza nei nanofili e gestione delle sostanze chimiche. Nanomateriali abbiano una serie di implicazioni per la salute che sono come di ancora sconosciuto e quindi deve essere maneggiato con appropriata cura21.
Nota: Il processo inizia con la preparazione dei substrati, seguita dai primi passi di deposizione fotolitografia e metallo per definire i contatti di protezione esecuzione programmi. I nanofili sono poi assemblati tramite DEP e un passo ulteriore deposizione fotolitografica e metallo opzionale può essere eseguito per effettuare un deposito superiori contatti sul nanofili. Caratteristiche corrente-tensione del nanowire transistor dispositivi quindi sono misurate utilizzando un kit di caratterizzazione di semiconduttori.
1. preparazione dei substrati
- Tagliare un wafer di biossido di silicio/silicio drogato di tipo n in formati adatti, ad esempio, 2,5 cm2.
- Durante il taglio, garantire la superficie superiore del wafer non è toccata o graffiata.
- Eseguire uno scriber diamante su tutta la superficie in un unico movimento continuo a fare un taglio.
- Dividere il wafer lungo il taglio.
- I campioni su un titolare di substrato e Sonicare per 5 min in un bagno ultrasonico al 100% di potenza (450 W), in primo luogo in acqua deionizzata, poi acetone ed infine isopropanolo (IPA).
Nota: Vedi Tabella materiali per numeri CAS e fornitori. - Asciugare i substrati con una pistola di azoto per rimuovere qualsiasi residuo IPA o polvere dalla superficie.
- Cenere del plasma negli esempi di plasma ad ossigeno a 100 W per 5 min per rimuovere eventuali residui organici.
2. fotolitografia Bilayer processo per contatti
Nota: Un processo di fotolitografia doppio strato viene utilizzato per creare gli elettrodi. Il processo di fotolitografia è condotto in una sala gialla per evitare il decadimento dei materiali di photoresist.
- Riscaldare il campione a 150 ° C per 15 min utilizzando una piastra di cottura, per eliminare l'acqua residua dalla superficie.
Nota: Questo è per garantire adesione del photoresist; Tuttavia chimici primer come HMDS anche può essere utilizzato. - Rimuovere il campione dalla piastra scaldante e posizionarlo su una spin coater.
- Utilizzando una pipetta, depositare circa 1 mL di photoresist A sulla superficie fino a coperta uniformemente l'intero campione.
Nota: Vedi Tabella materiali per il photoresist esatto utilizzato. - Girare il campione a 4.000 giri/min per 45 s, per produrre uno spessore di circa 250 nm. Se gli elettrodi che sono più spessi di 150 nm sono depositati, modificare questa ricetta.
- Rimuovere l'esempio da spin-coater e posizionarlo su una piastra riscaldante a 150 ° C per 5 min.
- Rimuovere l'esempio da piastra e lasciare il campione a riposare per 5 min in una scatola di umidità del 50%. Questo è per assicurare la reidratazione del photoresist22.
Nota: Se l'umidità del laboratorio è supera al 50%, il campione può essere lasciato a riposare nell'aria. - Posizionare il campione sulla spin coater e dispensare circa 1 mL di photoresist B sulla superficie del substrato.
- Girare il campione a 3.500 giri/min per 45 s, dando uno spessore di circa 500 nm.
- Il campione viene posto su una piastra riscaldante a 120 ° C per 2 min.
- Rimuovere l'esempio dalla piastra di cottura e lasciare riposare in una scatola di umidità del 50% per 5 min.
- Esporre l'esempio utilizzando una maschera-allineatore e fotomaschere ai raggi UV per 6.7 s per un totale di 180 mJ di esposizione.
Nota: La dose di esposizione esatta potrebbe essere necessario essere regolata in funzione di un particolare modello di aligner maschera. - Rimuovere l'esempio da mask-aligner e sviluppare immergendolo in sviluppatore fotoresist per 30 s.
Nota: Vedi Tabella materiali per lo sviluppatore esatto. - Rimuovere il campione da parte dello sviluppatore, il campione non immergere in acqua deionizzata e sciacquarlo per interrompere il processo di sviluppo.
- Verifica la fotolitografia utilizzando un microscopio ottico. Un polarizzatore può essere utilizzato per controllare il sottosquadro di doppio strato che dovrà presentarsi come linee deboli intorno alla scanalatura. Il tempo può essere regolato se troppo o due poco sottosquadro è raggiunto.
3. deposizione di contatti metallici
Nota: Deposizione di Electron beam (E-beam) è usato per depositare gli elettrodi sul photoresist preparati. Questo processo può anche utilizzare evaporatori termici o altri tipi di tecniche di deposizione di film sottili di metallo.
- Porre i campioni nella camera E-beam; della pompa verso il basso fino a raggiunta un alto vuoto. In questo caso, un vuoto di circa 1 x 10-6 mTorr è raggiunto.
- Deposito 2-6 nm di titanio che agisce come un livello di adesione seguito da 30 nm d'oro per i contatti di protezione esecuzione programmi.
- Rimuovere i campioni dalla camera E-beam.
- Eseguire la procedura di decollo rimuovendo la maggior parte del photoresist e metallo in eccesso. Questo viene fatto inserendo i campioni in un becher di photoresist remover per 15 min.
- Rimuovere i campioni dal becher di photoresist remover A e posto in un altro becher pulito di photoresist remover per ulteriori 15 minuti. Si tratta di impedire qualsiasi grandi particelle metalliche di depositarsi sul campione.
- Lift-off completa di sonicating Becher per 5 min a 50% di potenza.
- Rimuovere i campioni dal bagno one-by-one, garantendo per lavare via qualsiasi materiale con IPA per evitare indesiderate particelle metalliche da stabilirsi tra gli elettrodi.
Nota: Gli elettrodi sono ora pronti per l'allineamento di DEP di nanofili.
4. DEP di nanofili
- Preparare una soluzione di silicio o altri nanofili in anisolo di concentrazione di circa 1 µ g/mL. In questo esperimento, la soluzione è brevemente sonicata per 15 s con il minimo consumo impostazione possibile rimuovere qualsiasi flocculazione. Altri solventi possono essere utilizzati come il toluene e N, N-dimetilformammide (DMF)1.
- Verificare la soluzione di goccia colata una 10 µ l della formulazione nanowire su un substrato sacrificale.
- Ispezionare il substrato con nanofili depositati utilizzando un microscopio ottico polarizzato (POM). I nanocavi di silicio sono birifrangenti e quindi possono essere facilmente visto in POM. Se non ci sono nessun nanofilo ciuffi visibile, e la maggior parte dei nanofili sono dispersi bene sul substrato, quindi può iniziare la fase successiva, in caso contrario è ri-lisati mediante la soluzione e la concentrazione di nanowire debba essere regolato. Potrebbero essere necessari diversi tentativi per ottenere la dispersione di nanowire corretta.
- Collocare la piattaforma campione preparato con elettrodi sul 30° (vs orizzonte) inclinato con il canale di dispositivo allineato orizzontalmente. La direzione del flusso di dispersione deve essere perpendicolare ai bordi gli elettrodi per consentire più efficiente nanowire allineamento.
- Contattare gli elettrodi utilizzando micro-sonde collegate a un generatore di frequenza1.
- Impostare che la frequenza desiderata e la tensione sono il generatore di frequenza. In questo esperimento, utilizzare una tensione di segnale di protezione esecuzione programmi di 10 V picco-picco e un'onda sinusoidale di 1 MHz.
Nota: Aumento della frequenza fino a 20 MHz può aiutare a raccogliere nanofili con alta conducibilità e trappola bassa densità1,2. Vedere riferimento1 per una discussione dettagliata. Gamma di frequenza del segnale DEP indicato qui è stata ottenuta effettuando SFLS Si nanofili spettroscopia e collezione tempo analisi di impedenza, come descritto nel riferimento1. Altri tipi di nanofili con mobilità di elemento portante di carica superiore o inferiore, drogato nanofili o nanofili ottenuti con altri metodi di crescita possono avere gamma differente di frequenza del segnale DEP conseguente raccolta di nanofili di alta qualità. - Accensione il generatore di frequenza e rilasciare circa 10 µ l di soluzione di nanowire utilizzando una micropipetta sulla zona periferica.
Nota: Posizionare il campione ad un angolo (30°) consente di creare una gravità assistita lento fluire del liquido. In alternativa, un'azione capillare utilizzando una lastra di vetro possono essere usati6. - Applicare il DEP segnale per 30 s e quindi lo spegnimento del generatore di frequenza.
- Rimuovere l'esempio e risciacquare molto delicatamente con IPA.
- Asciugatura l'esempio molto delicatamente utilizzando una pistola di azoto. Un microscopio ottico polarizzato può essere usato per controllare il risultato della prova e regolare i parametri
Nota: La tensione del segnale di protezione esecuzione programmi, frequenza e la densità di dispersione nanofilo può essere regolati per ottenere una densità desiderata riproducibile di nanofili, da pochi nanofili a poche centinaia a dispositivo1,2.
5. deposizione di uno strato di metallo secondario
- Per ottenere la migliore iniezione corrente in NW FET, applicare un secondo contatto metallico in cima il nanofilo.
Nota: Questo processo di deposizione di contatto segue la stessa procedura esatta come sezioni 2 e 3, nella deposizione dei metalli e di fotolitografia tranne che solo uno strato d'oro è depositato.
6. I-V caratterizzazione di dispositivi Nanowire
Nota: I campioni sono ora completi e possono essere utilizzati in esperimenti successivi o loro caratteristiche I-V possono essere misurate per stabilire le proprietà elettriche di nanowire FET. I dispositivi fabbricati sono retro-gated FETs, dove wafer di silicio drogato funge da cancello comune e SiO2 strato serve come il dielettrico di gate.
- Per stabilire il contatto elettrico con il cancello, rimuovere una piccola area di ossido di silicio al bordo del campione utilizzando una penna di diamante.
- Utilizzare una pistola di azoto per rimuovere eventuali particelle di diossido di silicio indesiderati.
- Posto tre microsonde (origine, scolarle e cancello) sui contatti elettrodo d'oro fonte-scarico, con il cancello della sonda sulla zona con rimosso SiO2.
- Utilizzare un sistema di caratterizzazione di semiconduttori per prendere misure I-V.
- Misurare, trasferimento e uscita scansioni di NW FET come questi danno informazioni sulle prestazioni del dispositivo e le proprietà elettriche dei nanofili1,17,23. Si noti che misure di trasferimento implicano tensione source-drain passo-passo e travolgente tensione di gate. Le caratteristiche di uscita sono misurate da spazzare tensione drain-source e stepping tensione di gate.
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Representative Results
Risultati di fotolitografia doppio strato in ambiente pulito e acutamente definite elettrodi. Nell'esempio (Figura 1A), barretta Inter-digitated struttura è stata utilizzata con una lunghezza di canale di 10 µm. Queste strutture permettono una grande area assemblare il numero massimo di nanofili quando viene applicata la forza DEP. Figura 1B Mostra un disegno schematico di un dispositivo di nanowire FET di fondo-cancello.
Concentrazione di dispersione del nanofilo errato, sonicazione anche come insufficiente può provocare dispersioni di scarsa qualità, con esempi di goccia il cast di nanofili mostrato nella Figura 2A e Figura 2B, con una notevole quantità di nanowire ciuffi. Deposizione di DEP delle dispersioni molto denso nanofilo può anche produrre strati di qualità indesiderabili di nanofili come mostrato in Figura 2. In questo esempio, nanofili sono depositati troppo densamente, risultando in un effetto di proiezione molto significativo nanofilo-nanofilo. In Figura 2D, dimostrando ben dispersi, isolato, allineati nanofili è riportato un esempio di buona deposizione di DEP.
Flusso-assistita DEP di nanofili dovrebbe provocare nanofili perpendicolarmente attraversando il canale con una sovrapposizione di diversi micron sull'elettrodo come mostrato nella Figura 3. Assemblea di nanowire ideale può essere approssimata come un ben allineato "monostrato". Inoltre, un piccolo spazio tra i nanofili è preferibile ridurre il nanofilo effetto schermante. Un esempio di assemblaggio di nanowire controllabile da flusso assistita DEP è illustrato nella Figura 3A e Figura 3B, dove tensione di segnale di protezione esecuzione programmi è stata ridotta in Figura 3B, risultante in un numero significativamente minore di nanofili depositati nella distanza tra gli elettrodi.
Scansioni di trasferimento e uscita di un transistor a effetto di campo nanowire silicio tipici sono mostrati in Figura 4. I risultati dimostrano che il dispositivo ha un comportamento di p-tipo, con modulazione di cancello ben definito. Questi risultati si raffrontano con altri transistori di nanowire fabbricati usando lo stesso metodo in letteratura1,2; Tuttavia, questi dispositivi inoltre possono essere migliorati mediante tecniche come passivazione superficiale che non è discusso qui17. Soluzione elaborata silicio che nanowire FETs hanno esposto sulle correnti come alta milliamp livello1; Tuttavia, per molte applicazioni, FET con micro-amp correnti sono sufficienti.
Figura 1: Ottico immagine e disegno schematico del transistore. (A) immagine al microscopio ottico delle strutture interdigitating elettrodo con nanofili allineato fra gli elettrodi. (B) schema di un fondo-cancello nanowire campo - effetto transistor costruito su Si/SiO2 wafer con cancello comune Si. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Immagini ottico microscopio polarizzato di soluzione depositare nanocavi di silicio. (A) esempio di nanofili goccia il cast su wafer di silicio da una dispersione non ottimizzata, mostrando un numero significativo di nanowire ciuffi. (B) Drop cast nanofili dopo breve sonicazione con meno ciuffi. (C) dispositivo dopo errato DEP mostrando una densità molto elevata di nanofili e ciuffi. (D) dispositivo dopo la corretta deposizione DEP risultati ben allineati, isolato nanofili attraversando le lacune di elettrodo. Le frecce rosse indicano la direzione del flusso del liquido. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Polarizzati immagini al microscopio ottico di deposizione di DEP controllabile di nanocavi di silicio. (A) nanofili assemblati a tensione elevata di segnale di protezione esecuzione programmi (15 V), visualizzando ad alta densità di nanofili allineati. (B) nanofili assemblati a bassa tensione di protezione esecuzione programmi (5 V), con solo due nanofili colmare gli elettrodi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 : Caratteristiche del tipico nanowire FET dispositivo-V. (A) FET scansione di trasferimento di un dispositivo di silicio nanowire fondo gated FET con elettrodi d'oro. Tensioni di scarico sono entrati da -0,1 -0,5 V con -0,1 V tensione di intervallo e cancello è spazzata da 10 fino a -40 V. scansione di uscita (B) dello stesso dispositivo con tensione di gate con gradino da 0 a -40 V con -5 V intervalli e sweep scarico tensione da 0 a -0.5 V. nanofili erano assemblati al segnale di protezione esecuzione programmi a 2 MHz e 10 Vpp. FET dimostra 5 pA corrente (VG = 0 V), 5 µΑ corrente di VD= 0,5 V, con conseguente 106 - 107 rapporto corrente di accensione e spegnimento del rilevatore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Trama simulato di forza DEP vs frequenza per nanocavi di silicio in anisolo con conducibilità diverse. Nella simulazione, i nanofili hanno una costante dielettrica di 11,9 e una conducibilità di tra 2,5 x 10-2 S/m a 10 x 10-2 S/m. anisolo ha una costante dielettrica di 4,33 e una conducibilità presunta di 2 x 10-6 S/m. nota che maggiore conducibilità hanno un più alta frequenza in cui la forza scende a zero. Questa tendenza indica che nanofili di conducibilità superiore possono essere raccolti a frequenza più alta di segnale DEP. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
La fabbricazione di successo e le prestazioni dei dispositivi dipendono da diversi fattori chiave. Questi includono nanowire densità e distribuzione nella formulazione, la scelta del solvente, la frequenza di protezione esecuzione programmi e il controllo del numero di nanofili presenti sul dispositivo elettrodi1.
Uno dei passaggi critici nella realizzazione di dispositivi di lavoro ripetibile è la preparazione di una formulazione di nanowire senza cluster o grumi. La formulazione può essere sonicata prima DEP per ridurre il numero dei cespi e mantenere nanowire dispersione. Densità di una soluzione una volta fatto può anche essere difficile da controllare soprattutto se nanofili rischiano di coagulare che può portare a una formulazione meno densa. Tensioattivi possono essere utilizzati per creare un più disperdere formulazione, tuttavia il tensioattivo può avere un effetto negativo delle prestazioni del dispositivo.
La Figura 2A Mostra un esempio di nanofili di cast depositato di goccia, con un numero significativo di ciuffi. Se i ciuffi di nanofili sono difficili da rimuovere o i nanofili sono suscettibili di rottura durante la sonicazione16, è consigliabile consentire la soluzione di accontentarsi di pochi secondi. Parte superiore della formulazione dovrebbe quindi essere pipettati fuori per l'uso. Nanofili ben dispersi galleggiano sopra la soluzione, considerando che pesante nanowire cluster affondare sul fondo.
La scelta del solvente e nanomateriale influenzerà i parametri in fase di deposizione DEP. La forza dielettroforetica che sperimenta un nanofilo è data dall'equazione 18:
dove 
è un fattore di geometria che è legato al raggio e lunghezza del nanofilo, 
è il gradiente di quadratico medio del campo elettrico, e 
è la parte reale del fattore di Clausius-Mossotti (equazione 2).
dove 
e 
sono la particella e la costante dielettrica media, 
e 
sono loro conducibilità, e 
è la frequenza di DEP. Dall' equazione 2, la forza dipende la conducibilità e la costante dielettrica del solvente sia il nanomateriale. Se il solvente è cambiato, questo può significativamente alterare la frequenza e forza di risposta per l'assemblaggio di nanofili. È anche evidente che diversi nanowire materiali risponderanno diversamente anche nello stesso solvente.
indica che, a frequenze diverse, la particella può essere più o meno polarizzabile rispetto al mezzo, che a sua volta determina se i nanofili spostare verso la regione del gradiente elevato campo elettrico (DEP positivo) o verso la regione del basso campo elettrico gradiente (negativo DEP)1.
La figura 5 Mostra una curva simulata della forza sperimentata da nanocavi di silicio in anisolo. I nanofili sono considerati per avere una costante dielettrica di 11,9 e una conducibilità di 2,5 x 10-2 a 5 x 10-2 S/m. anisolo ha una costante dielettrica di 4,33 e una conducibilità presunta di 2 x 10-6 S/m. La frequenza alla quale la forza scende a zero è diversa per diversi conducibilità. L'effetto può essere utilizzato per selezionare diverse particelle basate della loro relativa conducibilità e costante dielettrica alterando la frequenza applicata1,2,24. Frequenze più elevate sono state trovate per selezionare nanofili con conduttività superiore e una minore densità di trappole. Questa selezione porta a dispositivi FET con significativamente aumentato il corrente per nanowire e migliorato sotto soglia pista1.
Questo effetto dipende dal tipo di elettrodi utilizzati e l'angolo di inclinazione del substrato. Si consiglia per i ricercatori che desiderano regolare questo processo per loro elettrodi, per effettuare la calibrazione alterando un solo parametro alla volta.
Anche il numero di nanofili presenti nell'area del canale del dispositivo è critico nella realizzazione di dispositivi di lavoro ripetibile, come troppi nanofili si tradurrà in una stuoia come mostrato in Figura 2, che può portare a caratteristiche del dispositivo poveri V, a causa di nanofili vicenda di screening e riducendo l'effetto del campo cancello sul canale.
Per controllare la densità di nanofili, la tensione, la frequenza e la concentrazione della formulazione può essere alterata1. Ad esempio, per aumentare il numero di nanofili, la tensione può essere aumentata, o concentrazione della formulazione nanofilo è aumentato. Frequenza del segnale DEP è un parametro molto importante, come ha forte impatto sulla qualità dei nanofili raccolti, quindi la riduzione della frequenza non è consigliata, se sono destinati ad essere preparati ad alte prestazioni nanofilo. Si deve anche osservare che in alcuni casi un'ad alta tensione può causare alcuni tipi di conduzione altamente di nanofili per sciogliere19, o bruciare le zone di contatto.
In sintesi, DEP nanowire assembly è una tecnica molto potente, quando accoppiato con spettroscopia di impedenza, permettendo di valutare le frequenze del segnale di protezione esecuzione programmi per la raccolta di nanofili di alta qualità. Alle alte frequenze di segnale di protezione esecuzione programmi, nell'intervallo 1-20 di megahertz, identificato per la collezione di alta qualità Si nanowire, Assemblea di nanowire ben controllabili e riproducibili possa essere ottenuto. In molti casi, nanowire Assembleia da decine a qualche centinaio di nanofili per area periferica sono sufficienti per la dimostrazione dei transistor nanowire ad alte prestazioni. La metodologia è semplice estendere ad altri tipi di nanofili e nanomateriali, se ogni materiale viene esaminato in termini di risposta al segnale DEP1,2.
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Disclosures
Gli autori confermano che non esistono conflitti di interesse.
Acknowledgments
Gli autori vorrei ringraziare ESPRC e BAE systems per sostegno finanziario e il professor Brian A. Korgel e il suo gruppo per la fornitura di SFLS cresciuta nanocavi di silicio utilizzato in questo lavoro.
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 |
References
- 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), 1-6 (2017).
- 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).
- Rutherglen, C., Jain, D., Burke, P. Nanotube electronics for radiofrequency applications. Nat. nanotech. 4 (12), 811-819 (2009).
- 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).
- Collet, M., Salomon, S., et al. Large-scale assembly of single nanowires through capillary-assisted dielectrophoresis. Adv. Mat. 27 (7), 1268-1273 (2015).
- Pethig, R. Dielectrophoresis: Status of the theory, technology, and applications. Biomicrofluidics. 4 (2), (2010).
- Jones, T. B. Electromechanics of particles. (2), Cambridge University Press. (1995).
- El-Ali, J., Sorger, P. K., Jensen, K. F. Cells on chips. Nat. 442 (7101), 403-411 (2006).
- 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).
- 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).
- Monica, A. H., Papadakis, S. J., Osiander, R., Paranjape, M. Wafer-level assembly of carbon nanotube networks using dielectrophoresis. Nanotech. 19, 85303 (2008).
- Raychaudhuri, S., Dayeh, S. A., Wang, D., Yu, E. T. Precise semiconductor nanowire placement through dielectrophoresis. Nano Lett. 9 (6), 2260-2266 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Boote, J., Evans, S. Dielectrophoretic manipulation and electrical characterization of gold nanowires. Nanotech. 16 (9), 1500-1505 (2005).
- 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).
- 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).
- MicroChemicals Rehydration of Photoresists. , http://www.microchemicals.com/technical_information/photoresist_rehydration.pdf (2013).
- 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).
- Krupke, R. Separation of Metallic from Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes. Sci. 301 (5631), 344-347 (2003).
