Waiting
Login processing...

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

Engineering

Stroom-bijgewoonde diëlektroforese: Een Low-Cost methode voor de fabricage van hoogwaardige oplossing-verwerkbaar Nanowire apparaten

Published: December 7, 2017 doi: 10.3791/56408

Summary

In deze paper, stroom gesubsidieerde diëlektroforese blijkt voor de zelf-assemblage van nanowire apparaten. De fabricage van een silicium nanowire veld effect transistor wordt weergegeven als een voorbeeld.

Abstract

Stroom-bijgewoonde diëlektroforese (DEP) is een efficiënte zelf-assemblage methode voor het controleerbaar en reproduceerbaar positionering, uitlijning en selectie van nanowires. DEP wordt gebruikt voor nanowire analyse, karakterisering, en voor oplossingsgerichte fabricage van halfgeleidende apparaten. De methode werkt door een wisselend elektrisch veld tussen metalen elektroden toe te passen. De formulering van de nanowire wordt klik vervolgens op de elektroden die op een geneigd oppervlak om te maken een stroom van de formulering met behulp van de zwaartekracht neergezet. De nanowires vervolgens uitgelijnd langs het verloop van het elektrisch veld en in de richting van de vloeibare stroom. De frequentie van het veld kan worden aangepast Schakel nanowires met superieure geleidbaarheid en lagere dichtheid van de trap.

In dit werk, is stroom-bijgewoonde DEP gemaakt nanowire veld effect transistors. Stroom-bijgewoonde DEP heeft verschillende voordelen: het staat selectie van nanowire elektrische eigenschappen; controle van de lengte van de nanowire; plaatsing van nanowires op specifieke gebieden; controle van oriëntatie van nanowires; en beheersing van de dichtheid van de nanowire in het apparaat.

De techniek kan worden uitgebreid tot vele andere toepassingen zoals gas sensoren en magnetron switches. De techniek is een efficiënte, snelle, reproduceerbare en gebruikt als een minimale hoeveelheid verdunde oplossing waardoor hij ideaal is voor het testen van nieuwe nanomaterialen. Wafer schaal vergadering van nanowire apparaten kan ook worden bereikt met behulp van deze techniek, waardoor grote aantallen monsters die monsters voor het testen en groot-gebied elektronische toepassingen.

Introduction

Controleerbaar en reproduceerbaar vergadering van nanodeeltjes in vooraf gedefinieerde substraat locaties is een van de belangrijkste uitdagingen in oplossing-verwerkte elektronische en fotonische apparaten met behulp van halfgeleidende of geleidende nanodeeltjes. Voor krachtige apparaten is het ook zeer gunstig zijn voor de keuze van nanodeeltjes met preferentiële maten, en bepaalde elektronische eigenschappen, met inbegrip van, bijvoorbeeld, hoge geleidbaarheid en lage dichtheid van oppervlakte val Staten mogen maken. Ondanks aanzienlijke vooruitgang in nanomaterialen groei, met inbegrip van nanowire en nanobuis materialen, enkele varianten van nanoparticle eigenschappen zijn altijd aanwezig, en een selectie stap kan beduidend verbeteren nanoparticle gebaseerde Apparaatprestaties1 ,2.

Het doel van de stroom-bijgewoonde DEP methode aangetoond in dit werk is om de bovenstaande uitdagingen door aan te tonen van beheersbare halfgeleidende nanowires vergadering op metalen contacten voor hoge prestaties nanowire veld effect transistors. DEP lost verschillende problemen van nanowire apparaat fabricage in één stap met inbegrip van positionering van nanowires, uitlijning/oriëntatie van nanowires en selectie van nanowires met gewenste eigenschappen via DEP signaal frequentie selectie1. DEP is gebruikt voor vele andere apparaten, variërend van gas sensoren3, transistoren,1, en RF4,5, tot de positionering van bacteriën voor analyse7-switches.

DEP is de manipulatie van polarizable deeltjes via de toepassing van een niet-uniform elektrisch veld resulterend in nanowires zelf-assemblage in de elektroden8. De methode werd oorspronkelijk ontwikkeld voor de manipulatie van de bacteriën9,10 , maar is sindsdien uitgebreid naar de manipulatie van nanowires en nanomaterialen.

DEP oplossing verwerking van nanodeeltjes in staat stelt halfgeleider apparaat fabricage die aanzienlijk van de traditionele top-down technieken op basis van meerdere photomasking, ion implantatie, hoge temperatuur14 verschilt, gloeien, en etsen stappen. Aangezien DEP nanodeeltjes die hebben al gesynthetiseerd is manipuleert, is het een lage temperatuur, onderop fabricage techniek11. Deze aanpak maakt grootschalige nanowire apparaten worden geassembleerd op bijna elk substraat met inbegrip van temperatuurgevoelige, flexibele kunststof substraten6,12,13.

In dit werk, hoge prestaties p-type silicium nanowire veld effect transistors zijn vervaardigd met behulp van stroom-bijgewoonde DEP en de karakterisering van het stroom-spanning FET is uitgevoerd. Het silicium nanowires gebruikt in dit werk worden gekweekt via de Super Fluid vloeibare solide (SFLS) methode15,16. De nanowires zijn opzettelijk doped, en zijn ongeveer 10-50 µm lang en 30-40 nm in diameter. De SFLS groei methode is zeer aantrekkelijk omdat het industrie schaalbare bedragen van nanowire materialen15 bieden kan. De voorgestelde nanowire vergadering methodologie is direct van toepassing op andere nanowire halfgeleidermateriaal zoals InAs13, SnO23en GaN18. De techniek kan ook worden uitgebreid geleidende nanowires19 worden uitgelijnd en nanodeeltjes over elektrode lacunes20plaatsen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Let op: Alle procedures tenzij anders aangegeven plaatsvinden in een cleanroom milieu en risico-evaluaties hebben gedaan om veiligheid te garanderen tijdens nanowires en chemicaliën omgaan. Nanomaterialen kan een aantal gevolgen voor de gezondheid die als nog onbekend en dus moeten worden behandeld met passende zorg21.

Opmerking: Het proces begint met de voorbereiding van de substraten, gevolgd door de eerste fotolithografie en metaal afzetting stappen voor het definiëren van de DEP-contacten. De nanowires vervolgens via DEP worden geassembleerd en een verdere optionele photolithographic en metalen afzetting stap kan worden uitgevoerd om te storten top contacten op nanowires. De nanowire transistor apparaten stroom-spanning-kenmerken worden vervolgens gemeten met behulp van een halfgeleider karakterisering kit.

1. bereiding van substraten

  1. Snijd een gedoopt n-type silicium/silicon dioxide wafer in geschikte formaten, bijvoorbeeld, 2,5 cm2.
  2. Tijdens snijden, waarborgen de oppervlaktelaag van de wafer is niet aangeraakt of krassen.
  3. Een diamant scriber lopen over het oppervlak in een continue beweging te maken van een cut.
  4. Splitsen de wafer langs de cut.
  5. Leg de monsters op de houder van een substraat en bewerk ultrasone trillingen ten gedurende 5 minuten in een ultra sonic bad op 100% vermogen (450 W), eerst in gedeïoniseerd water, dan aceton, en ten slotte isopropanol (IPA).
    Opmerking: Zie Tabel van materialen voor CAS-nummers en leveranciers.
  6. De substraten met een stikstof-pistool op het verwijderen van alle resterende IPA of stof van het oppervlak droog.
  7. Plasma ash de monsters in zuurstof plasma bij 100 W voor 5 min voor het verwijderen van alle resterende organische reststoffen.

2. fotolithografie dubbelgelaagde proces voor contacten

Opmerking: Een dubbelgelaagde fotolithografie proces is gebruikt voor het maken van elektroden. Het fotolithografie-proces wordt uitgevoerd in een gele kamer ter voorkoming van verval van fotoresist materialen.

  1. Verwarm het monster bij 150 ° C gedurende 15 minuten met behulp van een kookplaat, verwijderen van alle resterende water van het oppervlak.
    Nota: Dit is om ervoor te zorgen de wrijvingscoëfficiënt van fotoresist; chemische inleidingen zoals HMDS kunnen echter ook worden gebruikt.
  2. Verwijder het monster uit de hete plaat en plaats het op een spin-coater.
  3. Met behulp van een precisiepipet, druppel ongeveer 1 mL fotoresist A op het oppervlak totdat het gehele monster is gelijkmatig bedekt.
    Opmerking: Zie Tabel van materialen voor de exacte fotoresist gebruikt.
  4. Draai het monster bij 4000 rpm voor 45 s, tot het produceren van een laagdikte van circa 250 nm. Als elektroden die dikker dan 150 zijn nm zijn nedergelegd, wijzigt u dit recept.
  5. Het monster van de spin-coater verwijderen en plaats deze op een kookplaat bij 150 ° C gedurende 5 min.
  6. Verwijder het monster uit de kookplaat en laat het monster te rusten gedurende 5 min. in een 50% vochtigheid doos. Dit is om ervoor te zorgen rehydratatie van de fotoresist22.
    Opmerking: Als de vochtigheid van het lab groter is dan 50%, het monster kan worden overgelaten om uit te rusten in de lucht.
  7. Breng de monsterhoeveelheid terug op de spin-coater en Pipetteer ongeveer 1 mL fotoresist B op het oppervlak van het substraat.
  8. Draai het monster bij 3500 rpm voor 45 s, geven een laagdikte van circa 500 nm.
  9. Leg het monster op een kookplaat bij 120 ° C gedurende 2 minuten.
  10. Verwijder het monster uit de verwarmingsplaat en laat rusten in een 50% vochtigheid doos voor 5 min.
  11. Blootstellen van het monster met behulp van een mask-aligner en photomask aan UV-licht voor 6.7 s voor een totaal van 180 mJ van blootstelling.
    Opmerking: De exacte blootstelling dosis misschien moet worden aangepast op basis van een bepaald model van masker aligner.
  12. Verwijder het monster uit de masker-aligner en ontwikkelen door het onder te dompelen in fotoresist ontwikkelaar voor 30 s.
    Opmerking: Zie Tabel van materialen voor de exacte ontwikkelaar.
  13. Verwijderen van het monster van de ontwikkelaar, het monster onderdompelen in gedeïoniseerd water en spoel het om te stoppen met het ontwikkelingsproces.
  14. Controleer de fotolithografie met behulp van een optische Microscoop. Een Polarisatiefilter kan worden gebruikt om te controleren de dubbelgelaagde undercut die moet worden weergegeven als vage lijnen rond het kanaal. De tijd kan worden aangepast als teveel of twee beetje onderboden wordt bereikt.

3. de afzetting van metalen contacten

Opmerking: Electron beam (E-bundel) afzetting wordt gebruikt voor het storten van de elektroden op de voorbereide fotoresist. Dit proces kunt ook thermische verdampers of andere soorten metalen dunne film afzetting technieken.

  1. Leg de monsters in de vergaderzaal van de E-bundel; pomp het naar beneden totdat een hoog vacuüm is bereikt. In dit geval wordt een vacuüm van ongeveer 1 x 10-6 mTorr bereikt.
  2. Storting 2-6 nm van titanium die fungeert als een laag wrijvingscoëfficiënt gevolgd door 30 nm van goud voor de DEP-contacten.
  3. Verwijder de monsters uit de zaal E-bundel.
  4. De lift-off procedure uitvoeren door het verwijderen van de meeste fotoresist en overtollige metaal. Dit wordt gedaan door het plaatsen van de monsters in een bekerglas van fotoresist remover voor 15 min.
  5. De monsters uit het bekerglas voor fotoresist remover A verwijderen en plaatsen in een ander schoon bekerglas van fotoresist remover voor een verdere 15 min. Dit is om te voorkomen dat eventuele grote metalen deeltjes afwikkeling op het monster.
  6. Volledige lift-off door het bekerglas gedurende 5 minuten op 50% kracht sonicating.
  7. Verwijder de monsters uit het bad één-door-één, ervoor te zorgen om het afspoelen van enig materiaal met IPA om te voorkomen dat ongewenste metaaldeeltjes regelen tussen de elektroden.
    Opmerking: De elektroden zijn nu op de DEP-uitlijning van nanowires voorbereid.

4. DEP van Nanowires

  1. Bereid een oplossing van silicium of andere nanowires in anisol van ongeveer 1 µg/mL concentratie. De oplossing is in dit experiment, kort sonicated voor 15 s op de laagste kracht mogelijk te verwijderen elke flocculatie instellen. Andere oplosmiddelen kunnen worden gebruikt zoals tolueen en N, N-dimethylformamide (DMF)1.
  2. Controleer de oplossing door drop gieten een 10 µL van de formulering van de nanowire op een offer substraat.
  3. Inspecteer het substraat met gedeponeerde nanowires met behulp van een gepolariseerde optische Microscoop (POM). Het silicium nanowires zijn birefringent en vandaar gemakkelijk kan worden gezien in de POM. Als er geen klontjes nanowire zichtbaar, en allermeest nanowires zijn goed verspreid op de drager vervagen, dan de volgende fase kan beginnen, anders de oplossing opnieuw sonicated is en de nanowire-concentratie moet mogelijk worden aangepast. Verschillende pogingen om de verspreiding van de juiste nanowire kan duren.
  4. Plaats de voorbereide monster met elektroden op 30° (vs. horizon) geneigd platform met het kanaal van de apparaat horizontaal uitgelijnd. De stroomrichting dispersie moet loodrecht op de randen van de elektroden om efficiënter nanowire uitlijning.
  5. Neem contact op met de elektroden met behulp van micro-sondes aangesloten op een frequentie generator1.
  6. Stel die de gewenste frequentie en de spanning op de frequentie generator zijn. In dit experiment, door een DEP signaal spanning van 10 V piek-tot-piek en een 1 MHz sinewave te gebruiken.
    Opmerking: Verhogen van de frequentie tot kan 20 MHz helpen om nanodraden verzamelen met hoge geleidbaarheid en lage val dichtheid1,2. Zie referentie1 voor een gedetailleerde bespreking. DEP signaal frequentiebereik hier vermeld werd verkregen door het uitvoeren van SFLS Si nanowires impedantie spectroscopie en collectie time analyse, zoals beschreven in referentie1. Andere types van nanowires met hogere of lagere kosten vervoerder mobiliteit, doped nanowires of nanowires verkregen door andere methoden van groei kan hebben verschillende DEP signaal frequentiebereik wat resulteert in de collectie van hoge kwaliteit nanowires.
  7. Switch-op de frequentie generator en neerzetten van ongeveer 10 µL van nanowire oplossing met behulp van een micropipet op het gebied van het apparaat.
    Opmerking: Plaatsen van het monster in een hoek (30°) helpt bij het creëren van een zwaartekracht-ondersteunde langzame stroming van de vloeistof. Anderzijds kan een capillair actie met behulp van een glasplaatje gebruikte6worden.
  8. Toepassing van de DEP signaal voor 30 s en vervolgens uitschakeling de frequentie generator.
  9. Verwijder het monster en heel voorzichtig spoelen met IPA.
  10. Droog-uit het monster heel voorzichtig met behulp van een stikstof-pistool. Een gepolariseerde optische Microscoop kan worden gebruikt om het monster te inspecteren en aanpassen van de parameters
    Opmerking: De DEP signaal spanning, frequentie, en de nanowire dispersie dichtheid kunnen worden aangepast om een reproduceerbare gewenste dichtheid van nanowires, van een paar nanowires tot een paar honderd per apparaat1,2.

5. de afzetting van een secundaire metalen laag

  1. Om te bereiken verbeterde huidige injectie in NW FETs, een tweede metallisch contact op de top van de nanowire van toepassing.
    Opmerking: Dit contact deposition proces volgt de exacte dezelfde stappen als de punten 2 en 3, in zowel fotolithografie en metalen depositie, behalve dat alleen een gouden laag wordt gestort.

6. I-V karakterisering van Nanowire apparaten

Opmerking: De monsters zijn nu voltooid en kunnen worden gebruikt in latere experimenten of de kenmerken van hun I-V kunnen worden gemeten om vast te stellen nanowire FET elektrische eigenschappen. De gefabriceerde apparaten zijn rug-gated FETs, waar gedoopt silicium wafer fungeert als de gemeenschappelijke poort en SiO2 laag fungeert als de poort diëlektrische.

  1. Verwijderen om vast te stellen elektrisch contact met de poort, een klein gedeelte van de siliciumoxide aan de rand van het monster met behulp van een diamant scriber.
  2. Gebruik van een stikstof-pistool om eventuele ongewenste siliciumdioxide deeltjes te verwijderen.
  3. Drie microprobes (bron, afvoer en poort) op de gouden bron-afvoer elektrode contacten, met de poort-sonde op het gebied met verwijderde SiO2plaatsen.
  4. Gebruik een halfgeleider karakterisering systeem om I-V metingen.
  5. Overdracht en output scans van NW FETs meten zoals deze informatie over de prestaties van het hulpmiddel en de elektrische eigenschappen van de nanowires1,17,23 geven. Merk op dat de metingen van de overdracht stepping spanning van de bron-afvoer en ingrijpende gate spanning betrekken. De kenmerken van de uitvoer zijn gemeten door vegen van de spanning van de bron-afvoer en intensivering van de spanning van de poort.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Dubbelgelaagde fotolithografie resultaten in schone scherp gedefinieerd elektroden. In het voorbeeld (figuur 1A), werd Inter digitated vinger structuur gebruikt met een lengte van het kanaal van 10 µm. Deze structuren kunnen een groot gebied te monteren van het maximum aantal nanowires wanneer de DEP-kracht wordt toegepast. Figuur 1B ziet u een schematische voorstelling van een onder-gate nanowire FET-apparaat.

Onjuiste nanowire dispersie concentratie, zo goed als onvoldoende ultrasoonapparaat kan leiden tot slechte kwaliteit dispersies, met druppel gegoten voorbeelden van nanowires weergegeven in figuur 2A en figuur 2B, met een aanzienlijke hoeveelheid nanowire klontjes. DEP afzetting van zeer dichte nanowire dispersies kan ook ongewenste kwaliteit lagen van nanowires produceren zoals weergegeven in figuur 2C. In dit voorbeeld worden nanodraden te dichtbevolkt, afgezet wat resulteert in een zeer belangrijke nanowire-nanowire screening effect. Een voorbeeld van goede DEP afzetting wordt weergegeven in figuur 2D, goed verspreide, geïsoleerde, uitgelijnde nanodraden te demonstreren.

Stroom-bijgewoonde DEP van nanowires moet resulteren in nanowires loodrecht oversteken van het kanaal met een overlapping van verschillende micron op de elektrode zoals afgebeeld in Figuur 3. Ideale nanowire vergadering kan worden benaderd als een goed uitgelijnde "enkelgelaagde". Bovendien is een kleine opening tussen de nanowires voorkeur te verminderen het nanowire effect te screenen. Een voorbeeld van een controleerbare nanowire montage door flow ondersteunde DEP wordt weergegeven in figuur 3A en figuur 3B, waar DEP signaal spanning werd teruggebracht in figuur 3B, wat resulteert in een aanzienlijk kleiner aantal nanowires gestort de elektrode kloof.

Overdracht en output scans van een typische silicium nanowire veld effect transistor worden weergegeven in Figuur 4. De resultaten tonen aan dat het apparaat p-type gedrag, met goed gedefinieerde poort modulatie heeft. Deze resultaten vergelijken met andere nanowire-transistors vervaardigd gebruikend de zelfde methode in de literatuur1,2; deze apparaten kunnen echter ook worden verbeterd door technieken zoals oppervlakte passivering die niet hier17besproken. Oplossing verwerkt silicium die Nanowire FETs hebben tentoongesteld op stromingen als hoog op milliamp niveau1; echter, voor vele toepassingen, FETs met micro-amp stromingen zijn voldoende.

Figure 1
Figuur 1: Optische beeld en schematische voorstelling van de transistor. (A) optische Microscoop beeld van interdigitated elektrode structuren met nanowires uitgelijnd tussen de elektroden. (B) schema van een onder-gate nanowire veld - effect transistor gebouwd op Si/SiO2 wafer met Si gemeenschappelijke poort. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: Polarized optische Microscoop beelden van oplossing storten silicium nanowires. (A) voorbeeld van nanowires drop gegoten silicium (wafers) van een unoptimized dispersie, tonen een significant aantal nanowire klontjes. (B) Drop kant nanowires na korte ultrasoonapparaat met minder klontjes. (C) apparaat na onjuiste DEP met een zeer hoge dichtheid van nanowires en bosjes. (D) apparaat na juiste DEP afzetting tonen goed uitgelijnd, geïsoleerde nanowires overschrijding van de elektrode lacunes. Rode pijlen geven de richting van vloeistofstromen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: Gepolariseerd optische Microscoop beelden van beheersbare DEP afzetting van silicium nanowires. (A) Nanowires geassembleerd bij DEP signaal hoogspanning (15 V), weergegeven: hoge dichtheid van uitgelijnde nanowires. (B) Nanowires geassembleerd bij DEP laagspanning (5 V), met slechts twee nanowires overbruggen de elektroden. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4 : Typische nanowire FET apparaat-V kenmerken. (A) FET overdracht scan van een silicium nanowire onderkant gated FET apparaat met gouden elektroden. Afvoer spanningen zijn stapte van -0,1 tot -0,5 V met -0,1 V interval en poort spanning is geveegd van 10 tot -40 V. (B) Output scan van hetzelfde apparaat met getrapte gate spanning van 0 tot -40 V met -5 V intervallen en rondlopende afvoer spanning van 0 naar -0,5 V. Nanowires waren gemonteerd op DEP signaal op 2 MHz en 10 Vpp. FET toont 5 pA uit-current (VG = 0 V), 5 µΑ op-stroom bij VD= 0,5 V, wat resulteert in 106 - 107 aan/uit de current ratio. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5: Gesimuleerde plot van DEP kracht versus frequentie voor silicium nanowires in anisol met uiteenlopende geleidbaarheid. In de simulatie; de nanowires hebben een permittiviteit van 11,9 en een geleidbaarheid van tussen 2, 5 x 10-2 S/m naar 10 x 10-2 S/m. anisol heeft een permittiviteit van 4.33 en een veronderstelde geleidbaarheid van 2 x 10-6 merk op S/m. dat hogere geleidbaarheid hebben een hogere frequentie waartegen de kracht tot nul daalt. Deze trend blijkt dat hogere geleidbaarheid nanowires kan worden verzameld op hogere DEP signaal frequentie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het succesvol fabricage en de prestaties van de hulpmiddelen, is afhankelijk van verschillende factoren. Deze omvatten nanowire dichtheid en distributie in de formulering, de keuze van het oplosmiddel, de frequentie van de DEP, en de controle van het aantal nanowires aanwezig op het apparaat elektroden1.

Een van de kritische stappen bij de verwezenlijking van herhaalbare werkende apparaten is de voorbereiding van de formulering van een nanowire zonder clusters of klontjes. De formulering kan worden sonicated voordat u DEP te verminderen van het aantal klontjes en te handhaven nanowire dispersie. Dichtheid van een oplossing eenmaal kan gemaakt ook zijn moeilijk te controleren vooral als nanowires dreigen te stollen, wat kan leiden tot een minder dichte formulering. Oppervlakteactieve stoffen kunnen worden gebruikt voor het maken van een meer verspreiden formulering, maar de oppervlakteactieve stof een negatief effect van de Apparaatprestaties wellicht.

Figuur 2A toont een voorbeeld van drop neergelegd gegoten nanowires, met een aanzienlijk aantal klontjes. Als de klontjes van nanowires moeilijk zijn te verwijderen of de nanowires gevoelig voor breken tijdens ultrasoonapparaat16 zijn, is het raadzaam dat de oplossing kunnen regelen voor een paar seconden. De top van de formulering moet dan worden pipetted uit voor gebruik. Goed verspreide nanowires drijven op de top van de oplossing, overwegende dat zware nanowire clusters naar de bodem zinken.

De keuze van het oplosmiddel en nanomateriaal zal gevolgen hebben voor de parameters in de fase van de depositie DEP. De kracht van de dielectrophoretic die een nanowire ervaringen wordt gegeven door vergelijking 18:

Equation 1

waar Equation 2 is een factor van meetkunde die is gerelateerd aan de straal en de lengte van de nanowire, Equation 3 is hellingsgradiënt van de kwadratische gemiddelde van het elektrisch veld, en Equation 4 is het reële deel van de vergelijking van Clausius-Mossotti factor (vergelijking 2).

Equation 5

waar Equation 6 en Equation 7 zijn de deeltjes en middellange permittiviteit, Equation 8 en Equation 9 zijn hun geleidbaarheid, en Equation 10 is de frequentie van DEP. Uit vergelijking 2is de kracht afhankelijk van de geleidbaarheid en de permittiviteit van zowel het oplosmiddel als de nanomateriaal. Als het oplosmiddel wordt gewijzigd, kan dit aanzienlijk de frequentie wijzigen en dwingen antwoord voor de nanowires montage. Het is ook duidelijk dat de verschillende nanowire materialen anders zelfs in hetzelfde oplosmiddel reageert.

Equation 11geeft aan dat het deeltje op verschillende frequenties, min of meer polarizable dan het medium, dat op zijn beurt bepaalt of de nanowires naar de regio van hoge veldsterkte verloop (positieve DEP) of naar de regio van lage elektrisch veld verplaatst kan zijn kleurovergang (negatieve DEP)1.

Figuur 5 toont een gesimuleerde curve van de kracht ervaren door silicium nanowires in anisol. De nanowires worden verondersteld te hebben een permittiviteit van 11,9 en een geleidbaarheid van 2,5 x 10-2 tot 5 x 10-2 S/m. anisol heeft een permittiviteit van 4.33 en een veronderstelde geleidbaarheid van 2 x 10-6 S/m. De frequentie waarmee de kracht tot nul daalt is verschillend voor verschillende geleidbaarheid. Het effect kan worden gebruikt voor het selecteren van de verschillende deeltjes op basis van hun relatieve geleidendheid en permittiviteit door een wijziging van de toegepaste frequentie1,2,24. Hogere frequenties hebben gevonden om nanodraden met hogere geleidbaarheid en een lagere dichtheid van vallen. Deze selectie leidt tot FET apparaten met aanzienlijk verhoogde op-current per nanowire en verbeterde sub drempel helling1.

Dit effect is afhankelijk van het type elektroden gebruikt en de hoek van de helling van het substraat. Het is raadzaam voor onderzoekers willen aanpassen dit proces hun elektroden, te kalibreren, hoeft door slechts één parameter te wijzigen op een moment.

Het aantal nanowires aanwezig op het gebied van de kanaal apparaat is ook cruciaal bij het bereiken van herhaalbare werkende apparaten, zoals teveel nanowires in een mat resulteren zal zoals in figuur 2C, die tot slechte I-V apparaat kenmerken, als gevolg van nanowires leiden kan screening van elkaar en het verminderen van het effect van het veld poort op het kanaal.

Om te bepalen van de dichtheid van nanowires, wellicht de spanning, de frequentie en de concentratie van de formulering veranderde1. Bijvoorbeeld het vergroten van het aantal nanowires, spanning kan worden opgetrokken, en concentratie van de formulering van de nanowire verhoogd. Frequentie van het signaal van de DEP is een zeer belangrijke parameter, zoals het heeft sterke invloed op de kwaliteit van de verzamelde nanowires, zodat de vermindering van de frequentie niet aanbevolen wordt, als krachtige nanowire apparaten worden voorbereid. Ook opgemerkt moet worden dat in sommige gevallen een hoge spanning kan leiden tot bepaalde soorten zeer uitvoeren nanowires om te smelten19, of het contact gebieden branden.

Kortom is DEP nanowire vergadering een zeer krachtige techniek, wanneer in combinatie met impedantie spectroscopie, waardoor DEP signaal frequenties voor het verzamelen van hoge kwaliteit nanodraden te evalueren. Bij hoge DEP signaal frequenties, in het bereik van 1-20 MHz, geïdentificeerd voor hoge kwaliteit Si nanowire collectie, kan goed-controleerbaar en reproduceerbaar nanowire vergadering worden verkregen. In veel gevallen nanowire vergadering van tientallen tot een paar honderd van nanowires per apparaat oppervlakte volstaan voor de demonstratie van hoge prestaties nanowire transistoren. De methodologie is eenvoudig uit te breiden tot andere soorten nanowires en nanomaterialen, indien elk materiaal is onderzocht in termen van haar reactie op de DEP signaal1,2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs bevestigen dat er geen belangenconflicten.

Acknowledgments

De auteurs bedank ESPRC en BAE systemen voor financiële steun, en Prof. Brian A. Korgel en zijn groep voor de levering van SFLS gegroeid van silicium nanowires gebruikt in dit werk.

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

Engineering kwestie 130 Semiconducting nanowires oplossing-verwerkbaar veld - effect transistors diëlektroforese nanomaterialen zelf-assemblage hoge prestaties afdrukbare elektronica flexibele substraten
Stroom-bijgewoonde diëlektroforese: Een Low-Cost methode voor de fabricage van hoogwaardige oplossing-verwerkbaar Nanowire apparaten
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