Dieletroforese assistida por fluxo: Um método de baixo custo para a fabricação de dispositivos de solução-processable nanofio de alto desempenho
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.
Protocol
Representative Results
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 …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
