Flyt-assistert Dielectrophoresis: En rimelig metode for fabrikasjon av høytytende løsningen-processable Nanowire enheter
Summary
I dette papiret, flyt assistert dielectrophoresis er vist for den selv-montering av nanowire enheter. Fabrikasjon av en silicon nanowire feltet effekt transistor vises som et eksempel.
Abstract
Flyt-assistert dielectrophoresis (DEP) er en effektiv selvtillit forsamlingen metode for den kontrollerbar og reproduserbar plasseringen, justeringen og utvalg av nanowires. DEP brukes for nanowire analyse, karakterisering, og solution-baserte fabrikasjon semiconducting enheter. Metoden fungerer ved å bruke en vekslende elektriske feltet mellom metallisk elektroder. Nanowire formulering er deretter falt på elektrodene som er på en tilbøyelig overflaten til en strøm av utformingen ved hjelp av tyngdekraften. Nanowires deretter justere langs graderingen av det elektriske feltet og i retning av flytende. Hyppigheten av feltet kan justeres for å velge nanowires med overlegen ledningsevne og lavere felle tetthet.
I dette arbeidet, strøm-assistert DEP til å opprette nanowire feltet effekt transistorer. Flyt-assistert DEP har flere fordeler: det innrømmer utvalg av nanowire elektriske egenskaper; kontroll av nanowire lengde. plassering av nanowires i bestemte områder. kontroll av orientering av nanowires; og kontroll av nanowire i enheten.
Teknikken kan utvides til mange andre programmer som gass sensorer og mikrobølgeovn brytere. Teknikken er effektiv, rask, reproduserbare, og den bruker minimalt med fortynnet løsning som gjør det ideelt for testing av romanen nanomaterialer. Wafer skala montering av nanowire enheter kan også oppnås ved hjelp av denne teknikken, slik at et stort antall prøver for testing og stor-området elektroniske søknader.
Introduction
Kontrollerbar og reproduserbar montering av nanopartikler forhåndsdefinerte substrat steder er en av de største utfordringene i løsning-bearbeidet elektronisk og fotoniske enheter bruker semiconducting eller gjennomføre nanopartikler. For høy ytelse enheter er det også svært gunstig å velge nanopartikler fortrinnsrett størrelser, og bestemte elektroniske egenskaper, inkludert for eksempel høy ledningsevne og lav tetthet av overflaten felle. Til tross for betydelige fremskritt i nanomaterialer vekst, inkludert nanowire og nanorør materiale, noen varianter av hydrogenion egenskaper er alltid til stede, og et utvalg skritt kan forbedre hydrogenion-basert enhet ytelse1 ,2.
Formålet med strøm-assistert DEP metoden i dette arbeidet er å møte de ovennevnte utfordringene ved å vise kontrollerbar semiconducting nanowires montering på metallisk kontakter for høytytende nanowire feltet effekt transistorer. DEP løser flere problemer av nanowire apparat fabrikasjon i ett enkelt trinn inkludert plassering av nanowires, justering/retning av nanowires og utvalg av nanowires med egenskapene via DEP signal frekvens utvalg1. DEP har vært brukt i mange andre enheter fra gass sensorer3, transistorer1, og RF skifter4,5, til plasseringen av bakterier for analyse7.
DEP er manipulering av polarizable partikler via anvendelse av en ikke-uniform elektrisk felt som resulterer i nanowires selvtillit forsamlingen over elektroder8. Metoden ble opprinnelig utviklet for manipulering av bakterier9,10 , men har siden blitt expanded å manipulering av nanowires og nanomaterialer.
DEP løsning behandling av nanopartikler kan semiconductor apparat fabrikasjon som er betydelig forskjellig fra tradisjonell topp-ned teknikker basert på flere photomasking, ion implantasjon, høy temperatur14, avspenning, og etsning trinn. Siden DEP manipulerer nanopartikler som allerede har blitt syntetisert, er det en lav temperatur, opp-fabrikasjon teknikk11. Denne tilnærmingen lar storstilt nanowire enheter monteres på nesten ethvert underlag inkludert temperatur-sensitive, fleksibel plast underlag6,12,13.
I dette arbeidet, høy ytelse p-type silikon nanowire feltet effekt transistorer er fabrikasjon benytter flyt-assistert DEP og FET nåværende-spenning karakteristikk er gjennomført. De silisium nanowires brukt i dette arbeidet er dyrket via Super væske flytende Solid (SFLS) metoden15,16. Nanowires er forsettlig dopet, og er ca 10-50 µm i lengde og 30-40-nm i diameter. Metoden SFLS vekst er attraktivt siden det kan tilby industrien skalerbar mengder nanowire materialer15. Foreslåtte nanowire montering metodikken gjelder direkte til andre halvledere nanowire materialer som Ina13, SnO23og GaN18. Teknikken kan også utvides til å justere ledende nanowires19 og plassere nanopartikler over elektroden hull20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vellykket fabrikasjon og ytelse av enhetene avhenger av flere viktige faktorer. Disse inkluderer nanowire tetthet og distribusjon i utformingen, valg av løsemiddel, hyppigheten av DEP og kontroll av antall nanowires finnes på enheten elektroder1.
En av de avgjørende skritt i å oppnå repeterbare virksomme innretninger er utarbeidelsen av nanowire formulering uten klynger eller klumper. Utformingen kan være sonicated før DEP å redusere antall klumper og oppretthol…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gjerne takke ESPRC og BAE systems for finansiell støtte, og professor Brian A. Korgel og hans gruppe for levering av SFLS vokst silisium nanowires brukt i dette arbeidet.
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).
