Penggilingan Elektroless HF/AgNO3 pada Wafer n-Si(100): Array Nanowires Silikon Tinggi Kepadatan dengan Reflektansi Rendah dan Konduktansi Ohmik
Abstrak
Array nanowires silikon (SiNW) vertikal tinggi kepadatan berhasil diproduksi melalui penggilingan elektroless wafer n-Si(100) dalam larutan HF/AgNO₃. Nanowires yang dihasilkan menunjukkan rentang diameter yang luas (20–300 nm) dan morfologi (bulat, persegi panjang, segitiga). Pengukuran optik menunjukkan reflektansi maksimum 19,2 % dan minimum 3,5 % di dekat-UV, dengan nilai rata-rata di bawah 10 % di seluruh spektrum visibel–inframerah dekat, jauh unggul dibandingkan reflektansi 65,1 % substrat yang tidak digiling. Energi bandgap yang dihitung SiNW adalah 1,20 eV, sedikit lebih tinggi dari 1,15 eV silikon massa, menunjukkan efek batasan kuantum. AFM konduktif pada nanowires bebas menunjukkan perilaku I–V ohmik linier hingga 2 V dan resistansi rata-rata 33,94 Ω cm.
Latar Belakang
Bahan nanostruktur menampilkan properti elektronik dan optik yang bergantung pada ukuran yang berbeda dari versi massa mereka. Dalam silikon, bandgap tidak langsung menghambat emisi cahaya yang efisien, sedangkan struktur satu dimensi seperti SiNW memungkinkan rekombinasi radiasi yang ditingkatkan melalui batasan kuantum. SiNW juga menunjukkan transport muatan yang unggul dan ketahanan mekanik, menjadikannya menarik untuk nanoelektronika dan optoelektronika. Banyak rute pembuatan ada—afa gas kimia, ablasi laser, avapan termal, dan epitaksi sinar molekuler—tetapi metode bottom-up ini memerlukan suhu tinggi, vakum, dan prekursor mahal, membatasi produksi luas area. Penggilingan elektroless, teknik berbasis larutan yang sederhana, menawarkan alternatif dengan biaya rendah yang menghasilkan array nanowires tertinggi kepadatan dan teratur pada substrat Si(100). Studi ini berfokus pada pengoptimalan proses penggilingan elektroless HF/AgNO₃ untuk menghasilkan SiNW dengan morfologi yang dikontrol dan kontaminasi permukaan minimal, diikuti oleh karakterisasi mikrostruktur, optik, dan listrik yang komprehensif.
Metode
Pembuatan SiNW
Wafer n-Si(100) (resistansi 0,75–1,25 Ω cm, ketebalan 500–550 µm) dibersihkan secara berurutan dalam aseton, etanol, air DI, dan larutan piranha mendidih (4:1 H₂SO₄–H₂O₂) selama 30 menit, diikuti celupan HF (48 % kelas CMOS) untuk menghilangkan oksida alami. Etcher terdiri dari 5 M HF dicampur dengan 0,01 M AgNO₃ (AgNO₃ >99 % kemurnian). Wafer direndam pada 60 °C selama 60 menit dalam wadah Teflon tertutup. Setelah penggilingan, sampel dicuci, kemudian diultrasonik dalam air regia 3 mol L⁻¹ (HNO₃:HCl 1:3) selama 15 menit untuk menghilangkan sisa Ag, diikuti cuci air DI dan pengeringan.
Karakterisasi
Mikrostruktur dan komposisi diperiksa oleh FESEM (Zeiss Supra 35 VP) dengan EDX dan TEM (Philips CM12). Reflektansi (200–1100 nm) diukur menggunakan spectrophotometer UV–Vis PerkinElmer Lambda 35. Pemetaan listrik dan topografi menggunakan AFM konduktif (Seiko SPI 3800N, ujung berlapis emas, radius ~10 nm) dalam mode konten, menyapu bias 0–2 V. Kurva I–V diekstrak dari peta arus, dan resistansi dihitung melalui ρ = RA/L.
Hasil dan Pembahasan
Mikrostruktur
Citra FESEM mengonfirmasi transisi dari permukaan silikon halus (Gambar 1a) ke array nanowires vertikal mesoporos setelah penggilingan HF/AgNO₃ (Gambar 1b). Nanowires menunjukkan panjang rata-rata ~20 µm dan diameter bervariasi dari 20 hingga 300 nm. Sebelum pembersihan air regia, EDX menunjukkan ~11 at % Ag; setelah pembersihan, permukaan pada dasarnya murni Si, mengonfirmasi pengosongan perak yang efektif.
Komposisi Unsur
Spektra EDX sebelum dan setelah pembersihan (Gambar 4) menunjukkan pengosongan Ag yang lengkap, memvalidasi langkah pembersihan pasca-penggilingan yang krusial untuk pengukuran optik dan listrik yang akurat.
Ukuran dan Bentuk SiNW
Citra TEM (Gambar 5) menunjukkan distribusi diameter (20–200 nm) dan morfologi (bulat, persegi panjang, segitiga), yang disebabkan oleh nukleasi Acak Ag pada permukaan Si. Templating yang dikontrol dapat lebih lanjut menyempurnakan seragamnya.
Properti Optik
Spektra reflektansi (Gambar 6) menunjukkan SiNW mencapai maksimum 19,2 % versus 65,1 % untuk wafer polos. Rata-rata reflektansi turun menjadi 12 % (visibel) dan 10 % (inframerah dekat), dengan minimum 3,5 % (UV) dan 9,8 % (visibel–IR). Hasil ini mengonfirmasi array nanowires sebagai struktur antirefleksi broadband yang efektif. Analisis bandgap melalui metode Kubelka–Munk menghasilkan E_g ≈ 1,20 eV untuk nanowires, sedikit lebih tinggi dari 1,15 eV silikon massa, konsisten dengan prediksi batasan kuantum.
Properti Listrik
Kurva I–V AFM konduktif (Gambar 10) menunjukkan perilaku ohmik linier hingga 2 V, mengonfirmasi kesesuaian nanowires untuk aplikasi elektronik. Menggunakan radius ujung yang diukur (~10 nm) dan panjang wire (~722,7 nm), resistansi yang dihitung adalah 33,94 Ω cm, lebih tinggi dari nilai literatur untuk wire yang ditumbuhkan MBE tetapi menunjukkan kualitas material intrinsik setelah penggilingan elektroless.
Kesimpulan
Penggilingan elektroless HF/AgNO₃ wafer n-Si(100) menghasilkan SiNW vertikal tinggi kepadatan (20–200 nm) dengan reflektansi di bawah 10 % di seluruh spektrum visibel–inframerah dekat dan perpindahan bandgap ke 1,20 eV. Nanowires menunjukkan perilaku I–V ohmik linier dengan resistansi rata-rata 33,94 Ω cm, mengonfirmasi potensinya untuk lapisan antirefleksi dengan biaya rendah dan perangkat nanoelektronik.
