Flöde-assisted Dielectrophoresis: En låg kostnad metod för tillverkning av högpresterande lösning-bearbetningsbar nanotråd enheter
Summary
I detta papper, flöde assisterad dielectrophoresis demonstreras för den självmontering av nanotråd enheter. Tillverkning av en silicon nanotråd field-effecttransistor visas som ett exempel.
Abstract
Flöde-assisterad dielectrophoresis (DEP) är en effektiv självmontering metod för de kontrollerbara och reproducerbara positionering, justering och urval av nanotrådar. Dataexekveringsskyddet används för nanotråd analys, karaktärisering, och lösningsbaserade tillverkning av halvledande enheter. Metoden fungerar genom att tillämpa ett alternerande elektriskt fält mellan metalliska elektroder. Nanotråd formuleringen släpps sedan på elektroderna som är på en lutande yta för att skapa ett flöde av formuleringen hjälp allvar. Nanotrådar justera sedan längs lutningen av det elektriska fältet och i riktning mot vätskeflödet. Frekvensen av fältet kan justeras för att markera nanotrådar med överlägsen ledningsförmåga och lägre fälla densitet.
I detta arbete används flöde-assisted DEP för att skapa nanotråd field-effecttransistorer. Flöde-assisted DEP har flera fördelar: det gör urval av nanotråd elektriska egenskaper; kontroll av nanotråd längd; placering av nanotrådar i särskilda områden, kontroll av orientering av nanotrådar; och kontroll av nanotråd densitet i enheten.
Tekniken kan utökas till många andra program såsom gas sensorer och mikrovågsugn växlar. Tekniken är effektiv, snabb, reproducerbar och den använder en minimal mängd av utspädd lösning vilket gör den idealisk för testning av nya nanomaterial. Wafer skala montering av nanotråd enheter kan också uppnås med hjälp av denna teknik, så att stora mängder prover för testning och stora ytor elektroniska applikationer.
Introduction
Kontrollerbar och reproducerbara montering av nanopartiklar i fördefinierade substrat platser är en av de största utmaningarna i lösning-bearbetade elektroniska och fotoniska enheter med hjälp av halvledande eller bedriver nanopartiklar. För enheter med hög prestanda är det också mycket fördelaktigt för att kunna markera nanopartiklar med förmånliga storlekar, och särskilt elektroniska egenskaper, inklusive, till exempel, hög ledningsförmåga och låg densitet av surface fälla stater. Trots betydande framsteg i nanomaterial tillväxt, inklusive nanotråd och nanotube material, vissa varianter av nanopartiklar boenden är alltid närvarande, och ett urval steg kan avsevärt förbättra prestanda nanopartikel-baserade enhet1 ,2.
Syftet med metoden flöde-assisted DEP visat i detta arbete är att de ovanstående utmaningar genom att Visa kontrollerbar halvledande nanotrådar montering på metalliska kontakter för högpresterande nanotråd field-effecttransistorer. DEP löser flera problem av nanotråd enhet tillverkning i ett enda steg inklusive placering av nanotrådar, justering/orientering av nanotrådar och urval av nanotrådar med önskade egenskaper via DEP signal frekvens urval1. DEP har använts för många andra enheter som sträcker sig från gas sensorer3transistorer1, och RF växlar4,5, placeringen av bakterier för analys7.
DEP är manipulering av polariserbara partiklar via tillämpningen av en icke-uniform elektriska fältet resulterar i nanotrådar självmontering över de elektroder8. Metoden utvecklades ursprungligen för manipulering av bakterier9,10 men har sedan dess utökats till att manipulation av nanotrådar och nanomaterial.
DEP lösning behandling av nanopartiklar gör halvledare enhet fabrication som avsevärt skiljer sig från traditionella uppifrån tekniker baserat på flera photomasking, ion implantation, hög temperatur14, glödgning, och etsning steg. Eftersom DEP manipulerar nanopartiklar som redan har syntetiserats, är det en låg temperatur, underifrån fabrication teknik11. Detta tillvägagångssätt gör att storskaliga nanotråd enheter kan monteras på nästan alla underlag inklusive temperaturkänsliga, flexibel plast substrat6,12,13.
I detta arbete, hög prestanda p-typ kisel nanotråd field-effecttransistorer tillverkas med flöde-assisted DEP, och FET ström-spänning karakterisering utförs. De kisel nanotrådar som används i detta arbete odlas via Super Fluid flytande Solid (SFLS) metod15,16. Nanotrådar är avsiktligt dopade, och är cirka 10-50 µm i längd och 30-40 nm i diameter. Metoden SFLS tillväxt är mycket attraktiv eftersom den kan erbjuda industrin skalbara mängder nanotråd material15. Den föreslagna nanotråd montering metoden är direkt tillämplig på andra nanotråd halvledarmaterial som Episteme13, SnO23och GaN18. Tekniken kan också utökas till justera konduktiv nanotrådar19 och positionera nanopartiklar över elektrod luckor20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hur framgångsrik fabrikation och prestanda av enheter beror på flera viktiga faktorer. Dessa inkluderar nanotråd densitet och distribution i formuleringen, valet av lösningsmedel, frekvensen av Dataexekveringsskydd och kontroll av antalet nanotrådar närvarande på enhetens elektroder1.
En av de kritiska steg i att uppnå repeterbara funktionsdugliga enheter är utarbetandet av en nanotråd formulering utan kluster eller klumpar. Utformningen kan vara sonicated inn…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka ESPRC och BAE system för finansiellt stöd, och Prof. Brian A. Korgel och hans grupp för leverans av SFLS vuxit kisel nanotrådar som används i detta arbete.
Materials
| 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 (A) Microposit MF319 (100ml) | Microchem | – | http://microchem.com/products/images/uploads/MF_319_Data_Sheet.pdf |
| Photoresist remover (A) 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), (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).
- 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).
