Flow-assisteret dielektroforesis: En billig metode til fremstilling af højtydende løsning-bearbejdes Nanotråd enheder
Summary
I dette papir, flow assisteret dielektroforesis er påvist for den samlesæt af Nanotråd enheder. Fabrikation af en silicon Nanotråd Felteffekttransistor er vist som eksempel.
Abstract
Flow-assisteret dielektroforesis (DEP) er en effektiv samlesæt metode for den kontrollerbare og reproducerbare positionering, justering og udvælgelse af nanowires. Forhindring af Datakørsel anvendes for Nanotråd analyse, beskrivelse og løsning-baseret fabrikation af halvledende enheder. Metoden virker ved at anvende en skiftevis elektrisk felt mellem metallisk elektroder. Nanotråd formulering er så havnede de elektroder, som er på en skrå overflade for at skabe et flow af formuleringen ved hjælp af tyngdekraften. Nanowires derefter justeres langs forløbet af det elektriske felt og i retning af den flydende flow. Hyppigheden af feltet kan justeres for at vælge nanowires med overlegen ledningsevne og lavere fælde tæthed.
I dette arbejde, er flow-assisteret DEP brugt til at oprette Nanotråd felt effekt transistorer. Flow-assisteret DEP har flere fordele: det giver mulighed for valg af Nanotråd elektriske egenskaber; kontrol af Nanotråd længde; placering af nanowires i bestemte områder; kontrol af orienteringen af nanowires; og kontrol af Nanotråd tæthed i enheden.
Teknikken kan udvides til mange andre applikationer såsom gas sensorer og mikroovn switche. Teknikken er effektiv, hurtig, reproducerbar, og det bruger en minimal mængde af fortyndet opløsning gør den ideel til afprøvning af nye nanomaterialer. Wafer skala forsamling af Nanotråd enheder kan også opnås ved hjælp af denne teknik, så store mængder prøver for afprøvning og stor-området elektroniske ansøgninger.
Introduction
Kontrollerbare og reproducerbare forsamling af nanopartikler i pre-defineret substrat steder er en af de vigtigste udfordringer i løsning-behandlet elektronisk og fotoniske enheder udnytter halvledende eller strømførende nanopartikler. For høj ydeevne enheder er det også meget gavnligt at vælge nanopartikler med præferentielle størrelser, og især elektroniske egenskaber, herunder for eksempel, høj ledningsevne og lav befolkningstæthed overflade fælde stater. Trods betydelige fremskridt i nanomaterialer vækst, herunder Nanotråd og nanorør materialer, nogle variationer af nanopartikel egenskaber er altid til stede, og et udvalg skridt kan forbedre nanopartikel-baseret enhed ydeevne1 ,2.
Formålet med flow-assisteret DEP metoden demonstreret i dette arbejde er de ovennævnte udfordringer ved at vise styrbar halvledende nanowires forsamling på metallisk kontakter til højtydende Nanotråd felt effekt transistorer. Forhindring af Datakørsel løser flere problemer Nanotråd enhed fabrikation i et enkelt trin, herunder placering af nanowires, justering/orientering af nanowires og valg af nanowires med ønskede egenskaber via DEP signal frekvens udvalg1. Forhindring af Datakørsel er blevet brugt til mange andre enheder spænder fra gas sensorer3, transistorer1, og RF skifter4,5, til positionering af bakterier til analyse7.
Forhindring af Datakørsel er manipulation af polariserbare partikler via anvendelsen af en uensartet elektrisk felt resulterer i nanowires samlesæt på tværs af elektroder8. Metoden blev oprindeligt udviklet til manipulation af bakterier9,10 , men er siden blevet udvidet til manipulation af nanowires og nanomaterialer.
Forhindring af Datakørsel løsning behandling af nanopartikler giver semiconductor enhed fabrikation, som væsentligt adskiller sig fra traditionelle top-down teknikker baseret på flere photomasking, Ionimplantering, høj temperatur14, udglødning, og ætsning trin. Da DEP manipulerer nanopartikler, der allerede er blevet syntetiseret, er det en lav temperatur, bottom-up fabrikation teknik11. Denne tilgang giver mulighed for omfattende Nanotråd enheder samles på næsten alle underlag, herunder temperatur-følsomme, fleksible plast substrater6,12,13.
I dette arbejde, højtydende p-type silicium Nanotråd felt effekt transistorer er opdigtet benytter flow-assisteret DEP og FET nuværende spænding karakterisering er gennemført. Silicium nanowires bruges i dette arbejde er vokset via Super væske flydende Solid (SFLS) metode15,16. Nanowires er forsætligt dopede, og er ca 10-50 µm i længden og 30-40 nm i diameter. Metoden SFLS vækst er meget attraktiv, da det kan tilbyde industrien skalerbare mængder af Nanotråd materialer15. Den foreslåede Nanotråd forsamling metode er direkte anvendelige til andre semiconductor Nanotråd materialer såsom s13, SnO23og GaN18. Teknikken kan også udvides til at justere ledende nanowires19 og placere nanopartikler på tværs af elektrode huller20.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vellykket fabrikation og ydeevne af enheder afhænger af flere vigtige faktorer. Disse omfatter Nanotråd tæthed og distribution i udformningen, valg af opløsningsmiddel, hyppigheden af forhindring af Datakørsel, og kontrol af antallet af nanowires nuværende på enheden elektroder1.
Et af de afgørende skridt for at opnå repeterbare arbejder enheder er udarbejdelsen af et Nanotråd formulering uden klynger eller klumper. Formuleringen kan være sonicated før forhi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke ESPRC og BAE systems for finansiel støtte, og Prof. Brian A. Korgel og hans gruppe for levering af SFLS vokset silicium nanowires bruges i dette arbejde.
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).
