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Engineering

Flow-gestützte Dielektrophorese: Eine kostengünstige Methode für die Herstellung von Hochleistungs-Lösung-verarbeitbare Nanodraht-Geräte

Published: December 7, 2017 doi: 10.3791/56408
Automatic Translation
1, 1, 1
1Advanced Technology Institute, Electrical and Electronic Engineering, University of Surrey

Summary

In diesem Papier, Fluss assistierten Dielektrophorese sich für zeigt die Selbstmontage von Nanodraht-Geräten. Die Herstellung einer Silikon Nanowire Feldeffekt-Transistors ist exemplarisch dargestellt.

Abstract

Flow-gestützte Dielektrophorese (DEP) ist eine effiziente Self-assembly Methode für die steuerbare und reproduzierbare Positionierung, Ausrichtung und Auswahl von Nanodrähten. DEP ist für Nanowire Analyse, Charakterisierung, und für die Lösung-basierte Herstellung von halbleitenden Geräte verwendet. Die Methode funktioniert durch die Anwendung von einem elektrischen Wechselfeld zwischen metallischen Elektroden. Nanodraht-Formulierung fiel dann auf die Elektroden, die auf einer geneigten Fläche um einen Fluss von der Formulierung unter Nutzung der Schwerkraft zu erstellen sind. Die Nanodrähte ausrichten dann entlang dem Verlauf des elektrischen Feldes und in Richtung der Flüssigkeitsströmung. Die Frequenz des Feldes kann Nanodrähte mit überlegene Leitfähigkeit und niedriger Dichte Falle wählen angepasst werden.

In dieser Arbeit dient Fluss unterstützt DEP Nanodraht Feldeffekt-Transistoren erstellen. Flow-gestützte DEP hat mehrere Vorteile: es ermöglicht die Auswahl von Nanodraht elektrische Eigenschaften; Kontrolle der Nanodraht Länge; Platzierung von Nanodrähten in bestimmten Bereichen; Kontrolle der Ausrichtung der Nanodrähte; und Kontrolle der Nanodraht-Dichte im Gerät.

Die Technik kann für viele andere Anwendungen wie Gas-Sensoren und Mikrowelle Schalter erweitert werden. Die Technik ist effizient, schnell, reproduzierbar, und es verwendet eine minimale Menge der verdünnten Lösung, wodurch es ideal für die Erprobung neuartiger Nanomaterialien. Wafer Scale Versamlung Nanodraht Geräte kann auch erzielt werden mit dieser Technik, so dass große Anzahl von Proben für die Prüfung und großflächige elektronische Anwendungen.

Introduction

Kontrollierbar und reproduzierbar Montage von Nanopartikeln in vordefinierten Substrat Standorte ist eine der größten Herausforderungen bei der Lösung verarbeitet elektronischen und photonischen Geräte nutzen halbleitende oder Durchführung von Nanopartikeln. Für high-Performance-Geräte ist es auch sehr vorteilhaft, Nanopartikel mit bevorzugte Größen und besondere elektronische Eigenschaften, wie zum Beispiel, hohe Leitfähigkeit und niedriger Dichte der Oberfläche Falle Staaten auswählen zu können. Trotz erheblicher Fortschritte in Nanomaterialien Wachstum, einschließlich Nanodraht und Nanotube Materialien einige Varianten von Nanopartikel Eigenschaften sind immer vorhanden und ein Auswahlschritt kann deutliche Leistungssteigerung Nanopartikel-basierten Gerät1 ,2.

Die Fluss-gestützte DEP-Methode demonstriert in diesem Werk soll den oben genannten Herausforderungen zu begegnen, zeigt steuerbare halbleitende Nanodrähte Montage auf metallischen Kontakten für high-Performance Nanodraht Feldeffekt-Transistoren. DEP löst viele Probleme der Nanodraht Gerät Herstellung in einem einzigen Schritt einschließlich Positionierung von Nanodrähten, Ausrichtung/Ausrichtung der Nanodrähte und Auswahl von Nanodrähten mit gewünschten Eigenschaften über DEP Signal Frequenz Auswahl1. DEP ist für zahlreiche andere Geräte von Gas-Sensoren3, Transistoren1, verwendet worden und RF schaltet4,5, um die Positionierung der Bakterien für Analyse7.

Die Datenausführungsverhinderung ist die Manipulation von Kopfprodukt Partikel über die Anwendung eines ungleichmäßigen elektrischen Feldes führt Nanodrähte Selbstmontage über die Elektroden8. Die Methode wurde ursprünglich entwickelt für die Manipulation von Bakterien9,10 , aber hat sich seitdem auf die Manipulation von Nanodrähten und Nanomaterialien erweitert worden.

DEP Lösung Verarbeitung von Nanopartikeln ermöglicht Gerät Halbleiterfertigung unterscheidet sich wesentlich von traditionellen Top-Down-Techniken, basierend auf mehreren Photomasking, Ionenimplantation, Hochtemperatur14, Glühen, und Ätzen Schritte. Da DEP Nanopartikel, die bereits synthetisiert wurde manipuliert, ist es ein Niedertemperatur-, Bottom-Up-Herstellung Technik11. Dieser Ansatz ermöglicht großflächige Nanodraht Geräte auf fast jedem Untergrund einschließlich temperaturempfindliche, flexiblen Kunststoffsubstraten6,12,13montiert werden.

In dieser Arbeit hohe Leistung p-Typ Silikon Nanowire Feldeffekt-Transistoren sind hergestellt mit Flow-gestützte DEP, und die FET-Strom-Spannungs-Charakterisierung durchgeführt. In dieser Arbeit verwendeten Silizium-Nanodrähte werden über die Super Flüssig Liquid Solid (SFLS) Methode15,16angebaut. Die Nanodrähte sind absichtlich dotiert und sind ca. 10-50 µm in der Länge und 30-40 nm im Durchmesser. Die SFLS Wachstum-Methode ist sehr attraktiv, da es Industrie skalierbare Mengen Nanodraht Materialien15anbieten kann. Die vorgeschlagenen Nanodraht Montage Methodik ist direkt auf andere Nanodraht Halbleitermaterialien wie InAs13, SnO23und GaN18anwendbar. Die Technik kann auch leitfähige Nanodrähte19 ausrichten und Nanopartikel in Elektrode Lücken20positionieren erweitert werden.

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Protocol

Achtung: Alle Verfahren, es sei denn anders angegeben statt in einem Reinraum Umwelt und Risikobewertungen wurden durchgeführt, um während der Nanodrähte und Umgang mit Chemikalien Sicherheit zu gewährleisten. Nanomaterialien können haben eine Reihe von Auswirkungen auf die Gesundheit als der sind noch unbekannt, und damit mit entsprechenden behandelt werden sollte um21.

Hinweis: Der Prozess beginnt mit der Vorbereitung der Substrate, gefolgt von den Photolithographie und Metall Abscheidung Einstieg, die DEP-Kontakte zu definieren. Die Nanodrähte sind dann über DEP montiert und ein weitere optionale photolithographische und Metal Deposition Schritt kann durchgeführt werden, um Top-Kontakten auf Nanodrähte einzahlen. Die Nanowire Transistor Geräte Strom-Spannungs-Kennlinien sind dann gemessen mit einem Halbleiter-Charakterisierung-Kit.

1. Vorbereitung der Untergründe

  1. Schneiden Sie einen dotierten n-Typ Silizium/Kohlendioxid Siliziumwafer in passenden Größen, z.B., 2,5 cm2.
  2. Während des Schneidens, gewährleisten Sie die Oberfläche des Wafers nicht berührt oder zerkratzt ist.
  3. Führen Sie eine Diamant-Scriber über die Oberfläche in einer kontinuierlichen Bewegung, einen Schnitt zu machen.
  4. Aufteilen des Wafers entlang des Schnitts.
  5. Legen Sie die Proben auf ein Substrat-Halter und für 5 min in einem Ultraschall Bad bei 100 % Leistung (450 W), zunächst in entionisiertem Wasser, dann Aceton und schließlich Isopropanol (IPA) beschallen.
    Hinweis: Siehe Tabelle der Materialien für CAS-Nummern und Lieferanten.
  6. Trocknen Sie die Substrate mit einer Stickstoff-Pistole, verbleibenden IPA oder Staub von der Oberfläche zu entfernen.
  7. Plasma-Asche die Proben im Sauerstoffplasma bei 100 W für 5 min, keine verbleibenden organischen Rückstände zu entfernen.

(2) Photolithographie Bilayer Prozess für Kontakte

Hinweis: Ein Bilayer Photolithographie Prozess dient zur Elektroden zu erstellen. Die Fotolithografie-Verfahren erfolgt in einem gelben Raum zum Verfall der Photoresist Materialien zu verhindern.

  1. Erhitzen der Probe bei 150 ° C für 15 min mit einer Kochplatte, um restliches Wasser von der Oberfläche zu entfernen.
    Hinweis: Dies ist Haftung von Fotolack zu gewährleisten; chemischen Primern wie HMDS können aber auch verwendet werden.
  2. Entfernen Sie die Probe von der Heizplatte und legen Sie es auf einem Spin Coater.
  3. Mit einer Pipette, fallen Sie etwa 1 mL der Fotolack A auf der Oberfläche, bis die gesamte Probe gleichmäßig bedeckt ist.
    Hinweis: Siehe Tabelle der Materialien für die genaue Photolack verwendet.
  4. Drehen Sie die Probe bei 4.000 u/min für 45 s, herstellen eine Schichtdicke von ca. 250 nm. Wenn Elektroden dicker als 150 sind nm sind hinterlegt werden, dieses Rezept zu ändern.
  5. Entfernen Sie die Probe aus der Spin Coater und legen Sie sie auf einer Herdplatte bei 150 ° C für 5 Minuten.
  6. Entfernen Sie die Probe von der Herdplatte und lassen Sie die Probe für 5 min in einer 50 % Luftfeuchtigkeit Box ruhen. Damit soll Rehydratation der Fotolack22sichergestellt.
    Hinweis: Wenn die Luftfeuchtigkeit des Labors größer als 50 % ist, kann die Probe zur Ruhe in der Luft gelassen werden.
  7. Legen Sie die Probe wieder auf den Spin Coater und pipette etwa 1 mL der Fotolack B auf der Oberfläche des Substrats.
  8. Drehen Sie die Probe bei 3.500 u/min für 45 s, geben eine Schichtdicke von etwa 500 nm.
  9. Legen Sie die Probe auf eine Herdplatte bei 120 ° C für 2 min.
  10. Entfernen Sie die Probe von der Herdplatte und in einer 50 %-Feuchtigkeit-Box für 5 min ruhen lassen.
  11. Setzen Sie die Probe mit einem Mask Aligner und Fotomaske mit UV-Licht für 6,7 s für insgesamt 180 mJ der Exposition.
    Hinweis: Der genaue Strahlendosis müssen je nach einem bestimmten Modell Mask Aligner angepasst werden.
  12. Entfernen Sie die Probe aus der Mask-Aligner und entwickeln durch Eintauchen in Photoresist Entwickler für 30 s.
    Hinweis: Siehe Tabelle der Materialien für die genaue Entwickler.
  13. Entfernen Sie die Probe aus der Entwickler, Tauchen Sie die Probe in entionisiertem Wasser ein und spülen Sie ihn um den Entwicklungsprozess zu stoppen.
  14. Überprüfen Sie die Fotolithografie mit einem optischen Mikroskop. Ein Polarisator lässt sich die Hinterschneidung Bilayer zu überprüfen, die als schwache Linien rund um den Kanal angezeigt werden soll. Die Zeit kann eingestellt werden, wenn zuviel oder zwei etwas unterboten wird erreicht.

3. Abscheidung von Metall-Kontakte

Hinweis: Electron Beam (E-Beam) Ablagerung wird verwendet, um die Elektroden auf die vorbereiteten Photoresist einzahlen. Dabei können auch thermische Verdampfer oder andere Arten von dünnen Metallfilm Ablagerung Techniken.

  1. Legen Sie die Proben in der E-Beam-Kammer; Pumpen Sie ihn nach unten, bis ein hohes Vakuum erreicht ist. In diesem Fall wird ein Vakuum von ca. 1 x 10-6 mTorr erreicht.
  2. Kaution 2-6 nm Titan fungiert als eine Adhäsion Schicht von 30 gefolgt nm Gold für die DEP-Kontakte.
  3. Entfernen Sie die Proben aus der E-Beam-Kammer.
  4. Führen Sie die Lift-off durch die meisten Photoresist und überschüssiges Metall entfernen. Dies geschieht, indem man die Proben in ein Becherglas Photoresist Entferner für 15 Minuten.
  5. Entfernen Sie die Proben aus den Becher von Fotolack Remover A und legen Sie in eine andere saubere Becher mit Fotolack Entferner für weitere 15 min. Dies soll verhindern, dass großen Metall-Partikel absetzen auf die Probe.
  6. Komplette abheben durch beschallen den Becher für 5 min bei 50 % Leistung.
  7. Entfernen Sie die Proben aus dem Bad by-One, um jedes Material mit IPA zu verhindern, dass unerwünschte Metallpartikel Abrechnung zwischen Elektroden abspülen zu gewährleisten.
    Hinweis: Die Elektroden sind nun für die DEP-Ausrichtung von Nanodrähten bereit.

(4) DEP von Nanodrähten

  1. Bereiten Sie eine Lösung aus Silikon oder anderen Nanodrähte in Anisole ca. 1 µg/mL Konzentration. In diesem Experiment ist die Lösung kurz sonorisiert für 15 s an der niedrigsten Energie Einstellung möglich, Flockung zu entfernen. Andere Lösungsmittel wie Toluol und N, N-Dimethylformamid (DMF)1verwendbar
  2. Überprüfen Sie die Lösung per Drop 10 µL der Nanodraht Formulierung auf ein Opfer Substrat gießen.
  3. Inspizieren Sie das Substrat mit hinterlegten Nanodrähte mit einem polarisierten optischen Mikroskop (POM). Die Silizium-Nanodrähte sind doppelbrechenden und kann daher leicht in POM gesehen werden. Wenn keine Nanodraht Klumpen sichtbar sind, und die meisten Nanodrähte auf dem Substrat gut dispergiert sind, dann die nächste Stufe beginnen kann, sonst die Lösung erneut beschallten ist und Nanodraht-Konzentration muss u. u. angepasst werden. Dauert möglicherweise mehrere Versuche, die korrekte Nanodraht-Dispersion zu erreichen.
  4. Legen Sie die vorbereiteten Probe mit Elektroden auf 30° (vs. Horizont) geneigt Plattform mit dem Gerätekanal horizontal ausgerichtet. Die Dispersion Flussrichtung muss senkrecht zu den Elektroden Kanten ermöglicht eine effizientere Nanodraht Ausrichtung.
  5. Wenden Sie sich an den Elektroden mit Mikro-Sonden mit einem Frequenz-Generator1verbunden.
  6. Stellen Sie die gewünschte Frequenz und Spannung auf der Frequenz-Generator sind. Verwenden Sie in diesem Experiment eine DEP Signalspannung von 10 V Spitze-Spitze und einem 1 MHz-Sinus.
    Hinweis: Erhöhung der Frequenz bis zu helfen 20 MHz um Nanodrähte mit hoher Leitfähigkeit und niedriger Falle Dichte1,2zu sammeln. Siehe Hinweis1 für ein ausführliches Gespräch. DEP Signal Frequenzbereich angegeben hier erhielt durch die Durchführung SFLS Si Nanodrähte Impedanz Spektroskopie und Sammlung Zeitanalyse, wie in Hinweis1beschrieben. Andere Arten von Nanodrähten mit höherer oder niedrigerer Kosten Träger Mobilität, dotierten Nanodrähte, oder Nanodrähte durch andere Wachstum Methoden erhalten können verschiedene DEP Signal Frequenzbereich führt die Sammlung von hoher Qualität-Nanodrähten.
  7. Schalter auf der Frequenz-Generator- and -drop ca. 10 µL Nanodraht-Lösung mit einer Mikropipette auf der Gerätebereich.
    Hinweis: Platzieren die Probe in einem Winkel (30°) hilft, um eine Schwerkraft-unterstützte langsame Strömung der Flüssigkeit zu schaffen. Alternativ kann eine Kapillarwirkung mit einem Objektträger verwendet6.
  8. Gelten die DEP Signal für 30 s und dann ausschalten der Frequenz-Generator.
  9. Entfernen Sie die Probe und spülen Sie sehr sanft mit IPA ab.
  10. Trocken-aus der Stichprobe sehr sanft mit einem Stickstoff-Gun. Eine polarisierte Lichtmikroskop kann verwendet werden, um überprüfen die Probe und stellen die Parameter
    Hinweis: Die DEP-Signalspannung, Frequenz und die Nanowire Dispersion Dichte einstellbar um eine reproduzierbare gewünschte Dichte von Nanodrähten aus ein paar Nanodrähte auf wenige hundert pro Gerät1,2zu erreichen.

(5) Ablagerung von einer sekundären Metallschicht

  1. Um verbesserte Strominjektion in NW-FETs zu erreichen, gelten Sie einen zweite metallischen Kontakt auf den Nanodraht.
    Hinweis: Dieser Kontakt Abscheidung folgt exakt dieselben Schritte als Abschnitte 2 und 3, in Photolithographie und Metallabscheidung, außer, dass nur eine Goldschicht abgeschieden wird.

(6)-Spannungs-Charakterisierung der Nanodraht-Geräte

Hinweis: Die Proben sind nun abgeschlossen und können in späteren Experimenten verwendet werden oder ihre Eigenschaften-V gemessen werden, um Nanodraht FET elektrischen Eigenschaften herzustellen. Die gefertigten Geräte sind zurück-gated FETs, wo dotiertem Silizium-Wafer dient als gemeinsame Tor, und SiO2 Schicht dient als Gate-Dielektrikum.

  1. Um elektrischen Kontakt mit dem Tor zu etablieren, entfernen Sie einen kleinen Bereich der Siliziumoxid am Rand der Probe ein Diamant Scriber.
  2. Verwenden Sie eine Stickstoff-Pistole, um keine unerwünschten Siliziumdioxid-Partikel zu entfernen.
  3. Platz drei Mikrosonden (Source, Drain und Gate) auf die gold Source-Drain-Elektrode-Kontakte mit dem Tor auf den Bereich mit Sonde entfernt SiO2.
  4. Verwenden Sie ein Halbleiter-Charakterisierung-System-Spannungs-Messungen durchführen.
  5. Transfer und Ausgabe-Scans von NW-FETs zu messen, wie diese geben Informationen über die Leistung des Gerätes und die elektrischen Eigenschaften der Nanodrähte1,17,23. Beachten Sie, dass Transfer Messungen stepping Source-Drain-Spannung und der geschwungenen Gate-Spannung. Die Ausgabe-Merkmale werden durch fegen Source-Drain-Spannung und das Eintreten der Gate-Spannung gemessen.

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Representative Results

Bilayer Photolithographie Ergebnisse in sauberen definiert stark Elektroden. Im Beispiel (Abbildung 1A) wurde Inter digitated Finger Struktur mit einer Kanal-Länge von 10 µm verwendet. Diese Strukturen ermöglichen eine große Fläche für die maximale Anzahl von Nanodrähten montieren, wenn die Datenausführungsverhinderung Gewalt angewendet wird. Abbildung 1 b zeigt eine schematische Darstellung des unteren Tor Nanodraht FET Gerät.

Falsche Nanodraht Dispersion Konzentration, sowie als nicht ausreichend Beschallung kann dazu führen, schlechte Qualität Dispersionen mit Tropfen gegossen Beispiele von Nanodrähten, dargestellt in Abbildung 2A und Abb. 2 b, mit einer signifikanten Menge von Nanodraht Horste. DEP Ablagerung von sehr dichten Nanodraht-Dispersionen kann auch unerwünschte Qualität Schichten von Nanodrähten produzieren, wie in Abbildung 2dargestellt. In diesem Beispiel sind viel zu dicht Nanodrähte hinterlegt eine sehr bedeutende Nanodraht-Nanodraht Screening Effekt. Ein Beispiel für gute DEP Ablagerung zeigt Abbildung 2D, gut dispergierte, isoliert, aufeinander abgestimmte Nanodrähte demonstrieren.

Flow-gestützte DEP von Nanodrähten sollte Nanodrähte senkrecht über den Kanal mit einer Überlappung von mehreren Mikrometern auf die Elektrode wie in Abbildung 3dargestellt führen. Ideale Nanodraht Montage kann als eine gut ausgerichtete "Monolage" angenähert werden. Darüber hinaus ist eine kleine Lücke zwischen der Nanodrähte bevorzugt den Nanodraht Abschirmwirkung zu reduzieren. Ein Beispiel für steuerbare Nanodraht Montage durch Flow unterstützt DEP ist in Abbildung 3A gezeigt und Abbildung 3 b, wo DEP Signalspannung sich in Abb. 3 b verringerte, was zu einer deutlich geringeren Anzahl von Nanodrähte hinterlegt in der Elektrodenabstand.

Transfer und Ausgabe-Scans von einem typischen Silikon Nanowire Feldeffekt-Transistors sind in Abbildung 4dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Gerät p-Typ-Verhalten, mit klar definierten Tor Modulation hat. Diese Ergebnisse vergleichen mit anderen Nanodraht-Transistoren hergestellt unter Verwendung der gleichen Methode in der Literatur1,2; Diese Geräte können jedoch auch durch Techniken verbessert werden, wie Oberfläche Passivierung nicht hier17behandelt. Lösung verarbeitet Silikon Nanowire FETs auf Strömungen so hoch bei Milliampere Ebene1ausgestellt haben; FETs mit Mikro-Ampere-strömen sind jedoch für viele Anwendungen ausreichend.

Figure 1
Abbildung 1: Optische Bild und Schaltplan des Transistors. (A) optische Mikroskopbild von ineinandergreifenden Elektrodenstrukturen mit Nanodrähten ausgerichtet zwischen den Elektroden. (B) schematische Darstellung einer unteren Tor Nanodraht Feldeffekt - Transistor auf Si/SiO2 Wafer mit Si gemeinsamen Tor gebaut. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Polarisierte optische Mikroskopbilder Lösung einzahlen Silizium-Nanodrähte. (A) Beispiel für Nanodrähte Drop auf Silizium-Wafer aus einem optimiertem Streuung, zeigt eine beträchtliche Anzahl von Nanodraht Klumpen gegossen. (B) Tropfen gegossen Nanodrähte nach kurzen Beschallung mit weniger Klumpen. (C) Gerät nach falschen DEP zeigen eine sehr hohe Dichte von Nanodrähten und Klumpen. (D) Gerät nach richtigen DEP Absetzung gut abgestimmten, isolierten Nanodrähte überqueren die Elektrode Lücken zeigen. Rote Pfeile zeigen die Richtung der Flüssigkeitsströmung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: Polarisiert Lichtmikroskop Bilder der steuerbaren DEP Ablagerung von Silizium-Nanodrähte. (A)-Nanodrähte DEP Signal Hochspannung (15 V), zeigen hohe Dichte an ausgerichteten Nanodrähte montiert. (B) Nanodrähte montiert auf DEP Niederspannung (5 V), mit nur zwei Nanodrähte Überbrückung der Elektroden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4 : Typische Nanodraht FET Geräteeigenschaften-V. (A) FET Transfer Scan ein Silikon Nanowire unten gated FET Gerät mit gold-Elektroden. Drain-Spannungen sind von -0,1 -0,5 V mit -0,1 V trat Intervall und Gate-Spannung ist gefegt von 10 bis-40 V. (B) Ausgabe Scan des gleichen Geräts mit abgestuften Gate-Spannung von 0 bis-40 V mit-5 V Intervalle und Sweeping Drain-Spannung von 0 bis -0,5 V. Nanodrähte waren montiert auf DEP Signal bei 2 MHz und 10 Vpp. FET zeigt 5 pA aus Strom (VG = 0 V), 5 µΑ auf Strom am VD= 0,5 V, was zu 106 - 107 ein-/ausschalten Strom-Verhältnis. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5: Simulierte Grundstück von DEP Kraft versus Frequenz für Silizium-Nanodrähte in Anisole mit unterschiedlicher Leitfähigkeiten. In der Simulation die Nanodrähte haben eine Permittivität von 11,9 und eine Leitfähigkeit von zwischen 2,5 x 10-2 S/m bis 10 x 10-2 S/m. Anisole hat eine Permittivität von 4,33 und einer angenommenen Leitfähigkeit von 2 x 10-6 S/m. beachten Sie, dass höhere Leitfähigkeiten eine höhere Frequenz, an dem die Kraft auf Null fällt. Dieser Trend zeigt, dass höhere Leitfähigkeit Nanodrähte bei höheren DEP Signalfrequenz gesammelt werden kann. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Die erfolgreiche Fertigung und Leistung der Geräte hängen mehrere wichtige Faktoren. Dazu gehören Nanodraht Dichte und Verteilung in der Formulierung, die Wahl des Lösungsmittels, die Häufigkeit der Datenausführungsverhinderung und die Kontrolle über die Anzahl der Nanodrähte vorhanden auf dem Gerät Elektroden1.

Die entscheidenden Schritte bei der Erreichung wiederholbare Arbeitsgeräte gehört die Vorbereitung einer Nanodraht Formulierung ohne Cluster oder Klumpen. Die Formulierung kann vor DEP zu Reduzierung der Klumpen und instandzuhalten Nanodraht Dispersion beschallt werden. Dichte einer Lösung einmal kann gemacht auch schwer zu kontrollieren vor allem, wenn Nanodrähte sind wahrscheinlich zu gerinnen, die zu einem weniger dichten Formulierung führen kann. Tenside verwendet werden, erstelle ich eine Formulierung, zu zerstreuen, aber das Tensid eine negative Wirkung die Geräteleistung haben.

Abbildung 2A zeigt ein Beispiel für Drop Besetzung hinterlegt Nanodrähte, mit einer erheblichen Zahl von Klumpen. Wenn die Klumpen von Nanodrähten schwer sind zu entfernen oder die Nanodrähte anfällig für Bruch während der Beschallung16 sind, empfiehlt es sich, dass die Lösung für ein paar Sekunden zu begleichen. Oben auf die Formulierung sollte dann für den Einsatz ab pipettiert werden. Gut dispergierte Nanodrähte schweben auf die Lösung, während schwere Nanodraht-Cluster zu Boden sinken.

Die Wahl des Lösungsmittels und Nanomaterialien wirken sich die Parameter in der DEP-Ablagerung-Bühne. Die Dielectrophoretic Kraft, die einen Nanodraht Erfahrungen ist gegeben durch die Gleichung 18:

Equation 1

wo Equation 2 ist ein Geometrie-Faktor bezogen auf den Radius und die Länge der Nanodraht, Equation 3 ist Root Mean Square des elektrischen Feldes, gradient und Equation 4 ist der Realteil des Faktors Clausius-Mossotti (Gleichung 2).

Equation 5

wo Equation 6 und Equation 7 sind die Teilchen und mittlere Dielektrizitätszahl, Equation 8 und Equation 9 sind ihre Leitfähigkeit, und Equation 10 ist die Häufigkeit der DEP. Aus Gleichung 2ist die Kraft der Leitfähigkeit und der Permittivität des Lösungsmittels und das Nanomaterial abhängig. Wenn das Lösungsmittel geändert wird, kann dies deutlich ändern die Frequenz und Antwort für die Nanodrähte Assembly erzwingen. Es ist auch offensichtlich, dass verschiedene Nanodraht Materialien sogar in dem gleichen Lösungsmittel unterschiedlich reagieren werden.

Equation 11zeigt, dass, bei verschiedenen Frequenzen, das Teilchen mehr oder weniger Kopfprodukt als das Medium, die wiederum bestimmt, ob die Nanodrähte in Richtung der Region der hohen elektrischen Feld Farbverlauf (positive DEP) oder in Richtung der Region der niedrigen elektrischen Feldes bewegen Steigung (negative DEP)1.

Abbildung 5 zeigt eine simulierte Kurve der Kraft von Silizium-Nanodrähte erlebt in Anisole. Die Nanodrähte sind davon ausgegangen, dass eine Permittivität von 11,9 und eine Leitfähigkeit von 2,5 x 10-2 bis 5 x 10-2 S/m. Anisole hat eine Permittivität von 4,33 und einer angenommenen Leitfähigkeit von 2 x 10-6 S/m. Die Häufigkeit, mit der die Kraft auf Null fällt, unterscheidet sich für verschiedene Leitfähigkeiten. Der Effekt kann verwendet werden, um verschiedenen Teilchen aufgrund ihrer relativen Leitfähigkeit und Permittivität durch Änderung der angelegten Frequenz1,2,24auswählen. Höhere Frequenzen wurden gefunden, Nanodrähte mit höhere Leitfähigkeit und eine geringere Dichte an fallen auszuwählen. Diese Auswahl führt zu FET-Geräte mit deutlich erhöhten auf Strom pro Nanodraht und verbesserte Sub-Schwellenwert Steigung1.

Dieser Effekt hängt von der Art der verwendeten Elektroden und der Neigungswinkel des Substrats. Wir empfehlen für Forscher wollen dabei ihre Elektroden, passen es durch die Veränderung nur einen Parameter zu einem Zeitpunkt zu kalibrieren.

Die Anzahl der Nanodrähte im Bereich Kanal ist auch kritische wiederholbare Arbeitsgeräte zu erreichen, da zuviele Nanodrähte in einer Matte führt, wie in Abbildung 2gezeigt Armen I bis V Geräteeigenschaften durch Nanodrähte führen kann Screening einander und verringern die Wirkung des Feldes Tor auf dem Kanal.

Um die Dichte von Nanodrähten zu steuern, können die Spannung, die Frequenz und die Konzentration der Formulierung veränderten1sein. Zum Beispiel um die Zahl der Nanodrähte Spannung erhöht werden, oder Konzentration der Nanodraht Formulierung erhöht. Frequenz des Signals DEP ist ein sehr wichtiger Parameter, da sie hat starken Einfluss auf die Qualität der gesammelten Nanodrähte, also die Verringerung der Frequenz wird nicht empfohlen, wenn hohe Leistung Nanodraht Geräte vorbereitet werden. Anzumerken ist, dass in einigen Fällen eine hohe Spannung kann dazu führen, bestimmte Arten dass von höchst Durchführung von Nanodrähten um19schmelzen oder der Kontaktflächen brennen.

Zusammenfassend ist die DEP Nanodraht Montage eine sehr mächtige Technik gekoppelt mit Impedanz Spektroskopie, DEP Signalfrequenzen für die Sammlung von hochwertigen Nanodrähte bewerten ermöglichen. Gut kontrollierbar und reproduzierbar Nanodraht Montage erhalten Sie bei hohen DEP Signalfrequenzen im Bereich von 1-20 MHz, für hochwertige Si Nanodraht Kollektion identifiziert. In vielen Fällen reichen Nanodraht Montage von zehn bis ein paar hundert von Nanodrähten pro Gerät zur Demonstration von Hochleistungs-Nanodraht-Transistoren. Die Methode ist einfach, auf andere Arten von Nanodrähten und Nanomaterialien, auszudehnen, wenn jedes Material in Bezug auf seine Reaktion auf die DEP Signal1,2untersucht wird.

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Disclosures

Die Autoren bestätigen, dass es keine Interessenkonflikte.

Acknowledgments

Die Autoren möchten ESPRC und BAE Systeme für finanzielle Unterstützung und Prof. Brian A. Korgel und seiner Gruppe für die Lieferung von SFLS gewachsen Silizium-Nanodrähte, die in dieser Arbeit danken.

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

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Flow-gestützte Dielektrophorese: Eine kostengünstige Methode für die Herstellung von Hochleistungs-Lösung-verarbeitbare Nanodraht-Geräte
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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).

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