Stroom-bijgewoonde diëlektroforese: Een Low-Cost methode voor de fabricage van hoogwaardige oplossing-verwerkbaar Nanowire apparaten
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.
Protocol
Representative Results
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 klontj…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
