Waiting
Login processing...

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

Engineering

Dieletroforese assistida por fluxo: Um método de baixo custo para a fabricação de dispositivos de solução-processable nanofio de alto desempenho

Published: December 7, 2017 doi: 10.3791/56408

Summary

Neste trabalho, fluxo Dieletroforese assistida é demonstrado para a auto-montagem de dispositivos de nanofios. A fabricação de um transistor de efeito de campo de nanofios de silício é mostrada como um exemplo.

Abstract

Fluxo-assistida Dieletroforese (DEP) é um eficiente método Self-assembly para o controlável e reprodutíveis posicionamento, alinhamento e seleção de nanofios. DEP é usado para análise de nanofios, caracterização e baseados em solução fabricação de dispositivos semicondutores. O método trabalha aplicando um campo elétrico alternado entre eletrodos metálicos. A formulação de nanofio é então solto sobre os eletrodos que estão sobre um plano inclinado para criar um fluxo da formulação usando a gravidade. Os nanofios então alinham ao longo do gradiente do campo elétrico e na direção do fluxo de líquido. A frequência do campo pode ser ajustada para selecionar os nanofios com condutividade superior e menor densidade de armadilha.

Neste trabalho, assistida por fluxo DEP é usado para criar o nanofio transistores de efeito de campo. Fluxo-assistida DEP tem várias vantagens: permite a seleção de nanofios Propriedades elétricas; controle de nanofios de comprimento; colocação de nanofios em áreas específicas; controle de orientação de nanofios; e o controle de densidade de nanofios no dispositivo.

A técnica pode ser expandida para muitas outras aplicações, tais como sensores de gás e interruptores de microondas. A técnica é eficiente, rápido, reprodutível, e ele usa uma quantidade mínima de solução diluída, tornando-a ideal para o teste de novos nanomateriais. Montagem de escala da bolacha de nanofios dispositivos também pode ser alcançada usando esta técnica, permitindo que um grande número de amostras para testes e aplicações electrónicas de grande-área.

Introduction

Assembly controlável e reprodutível de nanopartículas em locais predefinidos substrato é um dos principais desafios em dispositivos de eletrônicos e fotônicos solução-processado, utilizando nanopartículas de semicondutores ou de condução. Para dispositivos de alto desempenho, também é altamente benéfico para ser capaz de selecionar as nanopartículas com tamanhos preferenciais e particulares propriedades eletrônicas, incluindo, por exemplo, alta condutividade e baixa densidade de Estados de superfície armadilha. Apesar dos progressos significativos no crescimento de nanomateriais, incluindo materiais de nanofios e nanotubos, algumas variações de nanopartículas propriedades estão sempre presentes, e uma etapa de seleção pode melhorar significativamente o desempenho de dispositivos baseados em nanopartículas1 ,2.

O objetivo do método assistido por fluxo DEP demonstrado neste trabalho é enfrentar os desafios acima, mostrando o conjunto de nanofios semicondutores controláveis sobre contatos metálicos para transistores de efeito de campo de nanofios de alto desempenho. DEP resolve vários problemas de fabricação de nanofios dispositivo em uma única etapa, incluindo o posicionamento de nanofios, alinhamento/orientação de nanofios e seleção de nanofios com propriedades desejadas através do DEP sinal frequência seleção1. DEP foi usado por inúmeros outros dispositivos de gás sensores3, transistores1, e RF alterna4,5, para o posicionamento de bactérias para análise7.

DEP é a manipulação de partículas polarizadas através da aplicação de um campo elétrico de não-uniforme resultando em nanofios auto-montagem através de eletrodos de8. O método foi desenvolvido originalmente para a manipulação de bactérias9,10 , mas desde então foi ampliado para a manipulação de nanofios e nanomateriais.

Processamento de solução DEP de nanopartículas permite a fabricação de dispositivos semicondutores que difere significativamente de técnicas tradicionais de cima para baixo com base em múltiplos photomasking, implantação de íons, alta temperatura14, recozimento e decapagem passos. Desde que o DEP manipula nanopartículas que já foram sintetizadas, é uma técnica de fabricação de baixa temperatura, ascendente11. Essa abordagem permite que os dispositivos de nanofios em larga escala ser montado em praticamente qualquer substrato incluindo substratos plásticos sensíveis à temperatura, flexível6,12,13.

Neste trabalho, transistores de efeito de campo de nanofios alto desempenho p-tipo de silício são fabricados usando DEP assistida por fluxo, e a caracterização de corrente-tensão FET é conduzida. Os nanofios de silício utilizados neste trabalho são cultivados através do método de Super fluido líquido sólido (SFLS)15,16. Os nanofios são intencionalmente dopados e são aproximadamente 10-50 µm de comprimento e 30-40 nm de diâmetro. O método de crescimento de SFLS é muito atraente, já que ele pode oferecer a indústria escaláveis quantidades de nanofios materiais15. A metodologia de montagem de nanofios proposto é directamente aplicável a outros materiais de nanofios semicondutores como InAs13, SnO23e GaN18. A técnica também pode ser expandida para alinhar nanofios condutores19 e posicione nanopartículas através de de lacunas do eletrodo20.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Cuidado: Todos os procedimentos a menos que caso contrário declarado ocorrem em uma sala limpa avaliações de meio ambiente e risco ter sido feito para garantir a segurança durante os nanofios e produtos químicos de tratamento. Nanomateriais podem ter um número de implicações para a saúde que são como de ainda desconhecidas e assim devem ser tratadas com apropriado conta21.

Nota: O processo começa com a preparação de substratos, seguido pelos primeiros passos de deposição de fotolitos e metal para definir os contatos do DEP. Os nanofios são depois montados através de DEP... e um passo adicional opcional deposição fotolitográfica e metal pode ser executado para depositar top contatos em nanofios. As características de corrente-tensão de dispositivos de transistor de nanofios são então medidas usando um kit de caracterização de semicondutores.

1. preparação de substratos

  1. Corte um wafer de dióxido dopados tipo n/silicone em tamanhos adequados, por exemplo, 2,5 cm2.
  2. Durante o corte, verifique a superfície superior da hóstia não é tocada ou riscada.
  3. Execute um scriber do diamante em toda a superfície em um movimento contínuo para fazer um corte.
  4. Dividi a bolacha ao longo do corte.
  5. Colocar as amostras em um suporte de substrato e proceda à sonicação por 5 min em um banho ultra-sônico na potência 100% (450 W), primeiro em água desionizada, em seguida, acetona e, finalmente, isopropanol (IPA).
    Nota: Consulte a Tabela de materiais para números CAS e fornecedores.
  6. Seque os substratos com uma arma de nitrogênio para remover qualquer restantes IPA ou pó da superfície.
  7. Cinzas de plasma as amostras no plasma de oxigênio a 100 W por 5 min para remover quaisquer resíduos orgânicos.

2. photolithography processo de BICAMADA para contatos

Nota: Um processo de fotolitografia BICAMADA é usado para criar os eléctrodos. O processo de fotolitografia é realizado em uma sala amarela para impedir a deterioração de materiais fotorresiste.

  1. Aquece a amostra a 150 ° C por 15 min, usando uma placa de aquecimento, para remover a água restante da superfície.
    Nota: Isto é para assegurar a aderência do fotorresiste; no entanto, iniciadores químicos tais como HMDS também podem ser utilizados.
  2. Retirar a amostra do prato quente e coloque-o em um aplicador de rotação.
  3. Utilizando uma pipeta, deixe aproximadamente 1 mL de fotorresiste A na superfície até que a amostra inteira é coberta uniformemente.
    Nota: Consulte a Tabela de materiais para o fotorresiste exato usado.
  4. Girar a amostra a 4.000 rpm para 45 s, para produzir uma espessura de película de aproximadamente 250 nm. Se eletrodos que são mais espessas do que 150 nm são depositados, altere esta receita.
  5. Retirar a amostra do rotação-revestidor e coloque-o sobre uma placa de aquecimento a 150 ° C por 5 min.
  6. Remova a placa de aquecimento a amostra e deixar a amostra para descansar por 5 min em uma caixa de umidade de 50%. Isso é para garantir a hidratação do fotorresiste22.
    Nota: Se a umidade do laboratório é superior a 50%, a amostra pode ser deixada para descansar no ar.
  7. Colocar a amostra sobre o spin-revestidor e pipetar cerca de 1 mL de fotorresiste B na superfície do substrato.
  8. Girar a amostra a 3.500 rpm para 45 s, dando uma espessura de película de aproximadamente 500 nm.
  9. Coloca a amostra em uma placa de aquecimento a 120 ° C por 2 min.
  10. Retire a amostra do chapa e deixe descansar em uma caixa de umidade de 50% por 5 min.
  11. Expor a amostra usando uma máscara-alinhador e Fotomáscara à luz UV para 6,7 s para um total de 180 mJ de exposição.
    Nota: A dose exata de exposição talvez precise ser ajustado dependendo de um determinado modelo de alinhador de máscara.
  12. Retirar a amostra da máscara-alinhador e desenvolver por imersão em fotorresiste desenvolvedor por 30 s.
    Nota: Consulte a Tabela de materiais para o desenvolvedor exato.
  13. Retirar a amostra do colaborador, imergir a amostra em água desionizada e enxaguá-lo para parar o processo de desenvolvimento.
  14. Verifique a fotolitografia usando um microscópio óptico. Um polarizador pode ser usado para verificar a minar BICAMADA que deve aparecer como linhas fracas em torno do canal. O tempo pode ser ajustado se demais ou dois pouco inferiores é alcançado.

3. deposição de contatos de Metal

Nota: Deposição de feixe (E-feixe) de elétrons é usada para depósito de eletrodos para o fotorresiste preparado. Esse processo também pode usar evaporadores térmicos ou outros tipos de técnicas de deposição de metal fina película.

  1. Colocar as amostras na câmara de E-feixe; bombeá-lo para baixo, até que seja atingido um alto vácuo. Neste caso, um vácuo de cerca de 1 x 10-6 mTorr é alcançado.
  2. Depósito, 2-6 nm de titânio que age como uma camada de adesão seguido de 30 nm de ouro para os contatos do DEP.
  3. Remova as amostras da câmara E-feixe.
  4. Execute o procedimento de decolagem, removendo a maioria dos fotorresiste e metal em excesso. Isso é feito colocando-se as amostras em um béquer de removedor de fotorresiste por 15 min.
  5. Retire o copo de fotorresiste removedor A amostras e colocar em outro béquer limpo de fotorresiste removedor para um mais 15 min. Isto é para evitar que eventuais partículas de metal grandes fixando-se na amostra.
  6. Decolagem completa por sonicating o copo durante 5 min à 50% de potência.
  7. Retire as amostras do banho um por um, garantindo para enxaguar qualquer material com IPA para impedir que partículas de metal indesejáveis estabelecendo-se entre eletrodos.
    Nota: Os eléctrodos estão agora preparados para o alinhamento de DEP de nanofios.

4. DEP de nanofios

  1. Prepare uma solução de silicone ou outros nanofios em anisole de concentração de aproximadamente 1 µ g/mL. Neste experimento, a solução é brevemente lisada por 15 s na potência mais baixa definição possível remover qualquer floculação. Outros solventes podem ser usados como tolueno e N, N-dimetilformamida (DMF)1.
  2. Verifique se a solução gota lançando um 10 µ l da formulação nanofio sobre um substrato de sacrifício.
  3. Inspecione o substrato com nanofios depositados, usando um microscópio óptico polarizado (POM). Os nanofios de silício são birrefringentes e, portanto, podem ser facilmente vistos no POM. Não se há nenhum touceiras de nanofios visível, e a maioria dos nanofios é bem dispersos sobre o substrato, então pode começar a fase seguinte, caso contrário, a solução é re-lisada e a concentração de nanofios talvez precise ser ajustado. Pode levar várias tentativas para alcançar a dispersão de nanofios correto.
  4. Coloque a plataforma de amostra preparada com eletrodos em 30° (vs Horizonte) inclinada com o canal de dispositivo alinhado horizontalmente. A direção do fluxo de dispersão deve ser perpendicular às bordas de eletrodos para permitir mais eficiente nanofio de alinhamento.
  5. Entrar em contato com os eletrodos usando microsondas conectados a um gerador de frequência1.
  6. Conjunto que a frequência desejada e a tensão são o gerador de frequência. Neste experimento, use uma tensão de sinal DEP de 10 V pico-a-pico e um sinewave de 1 MHz.
    Nota: Aumentando a frequência até 20 MHz pode ajudar a recolher os nanofios com alta condutividade e armadilha de baixa densidade1,2. Consulte a referência1 para uma discussão detalhada. Escala de frequência do sinal do DEP indicada aqui foi obtida por SFLS Si nanowires impedância espectroscopia e coleção tempo da análise, conforme descrito na referência1. Outros tipos de nanofios com mobilidade de portador de carga superior ou inferior, dopado com nanofios, ou obtidos por outros métodos de crescimento de nanofios podem ter diferente faixa de frequência do sinal DEP resultando na coleção de nanofios de alta qualidade.
  7. Ligar o gerador de frequência e soltar aproximadamente 10 µ l da solução de nanofios utilizando uma micropipeta para a área de dispositivo.
    Nota: Colocar a amostra em um ângulo (30°) ajuda a criar um fluxo lento gravidade assistida do líquido. Como alternativa, uma ação capilar usando uma lâmina de vidro pode ser utilizada6.
  8. Aplicar o DEP sinal durante 30 segundos e depois desliga-se automaticamente o gerador de frequência.
  9. Retirar a amostra e lavar suavemente com IPA.
  10. Seco-fora a amostra muito delicadamente, usando uma arma de nitrogênio. Um microscópio ótico polarizado pode ser usado para inspecionar a amostra e ajustar os parâmetros
    Nota: A densidade de dispersão de nanofios, frequência e a tensão do sinal DEP podem ser ajustadas para atingir uma densidade desejada pode ser reproduzida de nanofios, de alguns nanofios para algumas centenas por dispositivo1,2.

5. deposição de uma camada de Metal secundária

  1. Para conseguir melhor injeção atual em NW FETs, aplica um segundo contato metálico no topo os nanofios.
    Nota: Este processo de deposição de contato segue as mesmas etapas exatas como seções 2 e 3, em ambos os fotolitos e deposição de metal, exceto que apenas uma camada de ouro é depositada.

6. V caracterização dos dispositivos de nanofios

Nota: As amostras estão completas e podem ser usadas em experimentos subsequentes ou suas características-V podem ser medidas para estabelecer as propriedades elétricas de FET de nanofios. Os dispositivos fabricados são FETs volta-condomínio fechado, onde bolacha de silício dopado serve como o portão comum, e SiO2 camada serve como o dielétrico de portão.

  1. Para estabelecer contato elétrico com o portão, remova uma pequena área do óxido de silício na borda da amostra usando um scriber do diamante.
  2. Use uma arma de nitrogênio para remover quaisquer partículas indesejáveis dióxido de silício.
  3. Coloque três microsondas (fonte, dreno e portão) sobre os contactos do eletrodo de ouro fonte-dreno, com a sonda de portão na área com removido SiO2.
  4. Use um sistema de caracterização de semicondutores para fazer as medições-V.
  5. Medir a transferência e saída scans de FETs NW como estas dão informações sobre o desempenho do dispositivo e as propriedades elétricas da nanofios1,17,23. Observe que transferência medições envolvem revisão fonte-dreno e arrebatadora portão de tensão. As características de saída são medidas por varrer a tensão de fonte-dreno e pisando a tensão do portão.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Resultados de fotolitografia BICAMADA em limpo agudamente definidas eletrodos. No exemplo (figura 1A), inter digitated dedo estrutura foi usada com um comprimento de canal de 10 µm. Estas estruturas permitem que uma grande área montar o número máximo de nanofios, quando a força DEP é aplicada. A figura 1B mostra um diagrama esquemático de um dispositivo de nanofios FET de fundo-portão.

Concentração de dispersão de nanofios incorreto, sonication, bem como insuficiente pode resultar em dispersões de má qualidade, com exemplos de conversão de gota de nanofios, mostrados na Figura 2A e Figura 2B, com uma quantidade significativa de nanofios agrupa. Deposição de DEP de dispersões de nanofios muito densa também pode produzir camadas de qualidade indesejável de nanofios, conforme mostrado na Figura 2. Neste exemplo, os nanofios são depositados também densamente, resultando em um efeito de rastreio de nanofios-nanofios muito significativo. Um exemplo de boa deposição de DEP é mostrado na Figura 2D, demonstrando bem dispersos, isolados, alinhados de nanofios.

Fluxo-assistida DEP de nanofios deve resultar em nanofios cruzando perpendicularmente o canal com uma sobreposição de vários micra para o eletrodo, conforme mostrado na Figura 3. Montagem de nanofios ideal pode ser aproximada como um monolayer"bem alinhado". Além disso, um pequeno intervalo entre os nanofios é preferível reduzir o nanofio efeito de triagem. Um exemplo de montagem de nanofios controlável pelo fluxo DEP assistida é mostrado na Figura 3A e Figura 3B, onde tensão de sinal DEP foi reduzida na Figura 3B, resultando em um número significativamente menor de nanofios depositados na abertura do eletrodo.

Scans de transferência e saída de um transistor de efeito de campo de nanofios típica de silício são mostrados na Figura 4. Os resultados demonstram que o dispositivo tem comportamento de tipo p, com modulação de portão bem definidos. Estes resultados comparam-se bem com outros transistores nanofio fabricados usando o mesmo método na literatura1,2; no entanto, estes dispositivos também podem ser melhorados através de técnicas tais como passivação superfície que não é discutido aqui17. Solução processados silício que nanofio FETs comparecemos nas correntes tão alto em miliamperes nível1; no entanto, para muitas aplicações, FETs com micro-amp correntes são suficientes.

Figure 1
Figura 1: Imagem óptica e a planta do transistor. (A) imagem de microscópio óptico de estruturas interdigitantes eletrodo com nanofios alinhado entre os eletrodos. (B) diagrama esquemático de um fundo-portão nanofio efeito transistor campo construído em Si/SiO2 bolacha com portão comum de Si. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Imagens de microscópio óptico polarizado de solução depositam nanofios de silício. (A) exemplo de nanofios gota convertida em pastilhas de silício de uma dispersão não otimizada, mostrando um número significativo de aglomerados de nanofios. (B) gota elenco nanofios após breve sonication com menos aglomerações. (C) dispositivo após DEP incorreta mostrando uma muito alta densidade de nanofios e aglomerados. (D) dispositivo após a deposição de DEP correto mostrando bem alinhados, isolado nanofios cruzando as lacunas do eletrodo. Setas vermelhas indicam a direção do fluxo do fluido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: Polarizado imagens de microscópio ótico de deposição de DEP controlável de nanofios de silício. Nanofios de (A) reunidos-se em alta DEP sinal da tensão (V. 15), apresentando alta densidade de nanofios alinhados. (B) nanofios reuniram-se em baixa tensão DEP (5 V), com apenas dois nanofios colmatar os eléctrodos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4 : Características do típico nanofio FET dispositivo-V. (A) FET digitalização de transferência de um fundo fechado de nanofio silício dispositivo FET com eletrodos de ouro. Tensões de escoamento são pisou do-0.1 de -0,5 V com-0.1 V tensão de intervalo e o portão é varrida da 10 a -40 V. verificação de saída (B) do mesmo dispositivo com tensão de porta escalonada de 0 a -40 V com -5 V intervalos e foram varridos dreno tensão de 0 a -0.5 V. de nanofios reuniram-se em sinal DEP de 2 MHz e 10 Vpp. FET demonstra 5 pA fora-corrente (VG = 0 V), 5 µΑ na corrente em VD= 0.5 V, resultando em 106 - 107 ligar/desligar liquidez corrente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: Simulada parcela da força DEP versus frequência para os nanofios de silício em anisol com diferentes condutividades. Na simulação, os nanofios têm uma permissividade de 11,9 e uma condutividade de entre 2,5 x 10-2 S/m de 10 x 10-2 S/m. anisol tem uma permissividade de 4.33 e uma condutividade assumida de 2 x 10-6 S/m. nota que condutividades mais elevadas têm uma maior frequência na qual a força cai para zero. Essa tendência indica que maior condutividade nanofios podem ser coletados em maior frequência do sinal do DEP. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

A fabricação bem sucedida e o desempenho dos dispositivos dependem de vários fatores-chave. Estes incluem o nanofio densidade e distribuição na formulação, a escolha do solvente, a frequência de DEP e o controle do número de nanofios presentes no dispositivo eletrodos1.

Um dos passos essenciais na consecução de dispositivos de trabalho repetitivo é a preparação de uma formulação de nanofios sem clusters ou grupos. A formulação pode ser sonicated antes da DEP para reduzir o número de grupos e manter a dispersão de nanofios. Densidade de uma solução, uma vez feito também pode ser difícil de controlar especialmente se os nanofios são propensos a coagular que pode levar a uma formulação menos densa. Surfactantes podem ser usados para criar um mais dispersar a formulação, no entanto, o surfactante pode ter um efeito negativo de desempenho do dispositivo.

Figura 2A mostra um exemplo de nanofios de elenco depositado de gota, com um número significativo de aglomerados. Se as touceiras de nanofios são difíceis de remover ou os nanofios são suscetíveis à quebra durante sonication16, é recomendável que a solução possa resolver por alguns segundos. O topo da formulação deve então ser pipetado fora para uso. Nanofios bem dispersos flutuam por cima de solução, Considerando que clusters de nanofios pesado afundam até o fundo.

A escolha do solvente e do nanomaterial afetará os parâmetros na fase de deposição de DEP. A força de dieletroforética que experimenta um nanofio é dada pela equação 18:

Equation 1

onde Equation 2 é um fator de geometria que está relacionado com o raio e o comprimento do nanofio, Equation 3 é gradient da raiz quadrada do campo elétrico, e Equation 4 é a parte real do fator de Clausius-Mossotti (equação 2).

Equation 5

onde Equation 6 e Equation 7 são a partícula e a permissividade média, Equation 8 e Equation 9 são sua condutividade, e Equation 10 é a frequência de Dep. Da equação 2, a força é dependente da condutividade e permissividade de ambos o solvente e o nanomaterial. Se o solvente for alterado, isto pode significativamente alterar a frequência e forçar a resposta para a montagem de nanofios. Também é evidente que materiais diferentes nanofio responderá diferentemente mesmo no mesmo solvente.

Equation 11indica que, em diferentes frequências, a partícula pode ser mais ou menos polarizada do que o meio, que por sua vez determina se os nanofios movem em direção a região de alto campo elétrico gradiente (DEP positiva) ou em direção a região da baixa de campo elétrico gradiente (DEP negativa)1.

A Figura 5 mostra uma curva simulada da força experiente de nanofios de silício em anisol. Os nanofios são considerados como tendo uma permissividade de 11,9 e uma condutividade de 2,5 x 10-2 a 5 x 10-2 S/m. anisol tem uma permissividade de 4.33 e uma condutividade assumida de 2 x 10-6 S/m. A frequência na qual a força cai para zero é diferente para diferentes condutividades. O efeito pode ser usado para selecionar diferentes partículas com base de sua relativa condutividade e permissividade, alterando a frequência aplicada1,2,24. Frequências mais altas foram encontradas para selecionar os nanofios com maior condutividade e uma menor densidade de armadilhas. Esta selecção leva a dispositivos FET com significativamente aumentada na corrente por nanofios e melhorado sub limiar inclinação1.

Este efeito depende do tipo de eletrodos utilizado e o ângulo de inclinação do substrato. Recomendamos para os investigadores que pretendam adaptar este processo para seus eletrodos, para calibrá-lo, alterando apenas um parâmetro de cada vez.

O número de nanofios presentes na área de canal do dispositivo também é fundamental na realização de dispositivos de trabalho repetitivo, pois muitos nanofios resultará em uma esteira como mostrado na Figura 2, que pode levar a características de dispositivo pobre V, devido os nanofios outro de rastreio e reduzir o efeito do campo de portão no canal.

Para controlar a densidade de nanofios, a tensão, frequência e concentração da formulação podem ser alterada1. Por exemplo, para aumentar o número de nanofios, tensão pode ser aumentada, ou aumento da concentração da formulação nanofios. Frequência do sinal DEP é um parâmetro muito importante, que tem forte impacto sobre a qualidade dos nanofios coletados, portanto não é recomendada a redução da frequência, se dispositivos de nanofios de alto desempenho ser preparados. Também deve ser notado que em alguns casos uma alta tensão pode provocar certos tipos de condução altamente nanofios para derreter19, ou queimar as áreas de contacto.

Em resumo, DEP nanofio assembly é uma técnica muito poderosa, quando combinada com a espectroscopia de impedância, permitindo avaliar as frequências de sinal DEP para a coleção de nanofios de alta qualidade. A altas frequências de sinal DEP, na faixa de 1 a 20 MHz, identificados para coleta de nanofios de Si da alta qualidade, montagem de nanofios bem controláveis e reprodutíveis pode ser obtida. Em muitos casos, montagem de nanofios de dezenas a algumas centenas de nanofios por área de dispositivo são suficientes para a demonstração de transistores de nanofios de alto desempenho. A metodologia é simples para estender a outros tipos de nanofios e nanomateriais, se cada material é examinado em termos de sua resposta ao sinal DEP1,2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Os autores confirmam que não há nenhum conflito de interesses.

Acknowledgments

Os autores gostaria de agradecer ESPRC e BAE sistemas de apoio financeiro e Prof Brian A. Korgel e seu grupo para o fornecimento de SFLS crescido nanofios de silício utilizados neste trabalho.

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

Engenharia edição 130 Semiconducting nanofios solução-processable transistores de efeito de campo – Dieletroforese nanomateriais auto-montagem alto desempenho impressão eletrônica substratos flexíveis
Dieletroforese assistida por fluxo: Um método de baixo custo para a fabricação de dispositivos de solução-processable nanofio de alto desempenho
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