Efek Pemanasan Joule Lokal Asimetris pada Perangkat Berbasis Silicon Nanowire yang Dibentuk oleh Penyelarasan Dielektroforesis Di Seluruh Elektroda Pt

Hasil dan Diskusi

Gambar 2a, b masing-masing menunjukkan tampilan rencana dan gambar SEM penampang dari larik Si NW melalui MACE yang dikombinasikan dengan NSL. Si NWs dengan geometri seragam memiliki diameter antara 150 dan 200 nm dan panjang antara 5 dan 6 um. Gambar 2c menunjukkan gambar TEM dari Si NW individu, yang merupakan struktur kristal tunggal dan memiliki arah terukir preferensial [100] yang dikonfirmasi oleh gambar kisi bening yang ditunjukkan pada Gambar. 2d.

a Tampilan atas dan b gambar SEM penampang dari susunan Si NW yang dibuat oleh MACE dikombinasikan dengan NSL. c Gambar TEM dari Si NW yang disintesis. d Gambar TEM resolusi atom dari Si NW yang disintesis sesuai dengan kotak merah di c . Sisipannya adalah pola SAD dari Si NW

Untuk mempelajari transportasi listrik Si NWs, perangkat berbasis kawat nano silikon dalam struktur logam-nanowire-logam dibuat sebagai + 0,5 V DC diterapkan ke elektroda pembuangan dalam proses penyelarasan DEP. Tampilan atas keselarasan Si NW melintasi elektroda Pt dapat dilihat dengan jelas dari gambar SEM, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, di mana Si NW sejajar satu sama lain. Kepadatan dari Si NWs yang selaras dapat dikontrol melalui konsentrasi NWs dalam larutan IPA. Dua metode berbeda digunakan untuk mengukur sifat listrik perangkat. Untuk pengukuran metode 1, kurva I-V diukur saat tegangan diterapkan ke elektroda pembuangan dengan menyapu dari positif ke negatif. Untuk pengukuran metode 2, kurva I-V diukur saat tegangan diterapkan ke elektroda saluran dengan menyapu bentuk negatif ke positif. Anehnya, perangkat memiliki perilaku penyearah dan arah penyearahan dapat ditentukan oleh arah sapuan tegangan seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S1. Untuk memahami fenomena ini, kurva IV diukur dengan menerapkan rentang tegangan sapuan yang berbeda ke elektroda saluran perangkat. Laju penyapuan ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 5a menunjukkan bahwa kurva IV diukur saat tegangan diterapkan ke elektroda saluran dengan menyapu dari + 1 ke − 1 V, + 2 ke 2 V, dan + 3 ke 3 V secara berurutan, seperti yang diilustrasikan pada sisipan Gambar 5a. Ini menunjukkan perilaku penyearah yang lebih jelas karena perangkat diukur dalam rentang tegangan yang lebar. Pada Gambar. 5b, kurva merah IV diukur lebih lanjut ketika tegangan diterapkan ke elektroda pembuangan dengan menyapu dari + 1 ke 1 V untuk kedua kalinya. Arus maju adalah 9,2 nA pada 0,75 V; arus baliknya sekitar 0,044 nA. Rasio arus on-to-off adalah sekitar 200. Ditemukan bahwa perangkat menjadi lebih penyearah dibandingkan dengan kurva hitam IV, yang sebelumnya diukur dalam rentang tegangan yang sama seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a dengan on-to-off rasio lancar 7,7. Kurva penyearah IV yang berlawanan dapat dihasilkan juga ketika tegangan diterapkan ke elektroda pembuangan dengan menyapu dari 0,5 hingga + 0,5 V, 1 hingga + 1 V, dan 2 hingga + 2 V secara berurutan, seperti yang diilustrasikan pada sisipan dari Gbr. 5c. Ini juga menunjukkan perilaku penyearah yang lebih jelas dalam rentang tegangan sapuan yang lebih besar yang ditunjukkan pada Gambar 5c. Pada Gambar. 5d, kurva merah IV diukur lebih lanjut ketika tegangan diterapkan ke elektroda pembuangan dengan menyapu dari 0,5 ke + 0,5 V untuk kedua kalinya. Transisi dari perilaku non-penyearah ke perbaikan dapat diamati dengan perbandingan dengan kurva hitam IV, yang sebelumnya diukur dalam rentang tegangan yang sama yang ditunjukkan pada Gambar 5c. Kurva karakteristik IV di atas menunjukkan bahwa perilaku perbaikan dalam perangkat berbasis Si NW diproduksi dalam proses pengukuran listrik alih-alih penyelarasan DEP. Selanjutnya, ditemukan juga bahwa arah penyearah dapat ditentukan oleh arah sapuan tegangan. Setelah transisi dari non-rectifying ke rectifying, perangkat memiliki arah rectifying yang sama, apa pun arah tegangannya.

Gambar SEM dari Si NWs sejajar paralel di seluruh elektroda Pt. Tegangan DC + 0,5 V diterapkan ke saluran pembuangan dalam penyelarasan DC-DEP

Laju penyapuan tegangan untuk elektroda pembuangan dengan menyapu dari bias negatif ke positif (garis hitam) dan dari bias positif ke negatif (garis merah)

Sifat listrik paralel Si NWs di elektroda Pt. a Kurva IV dari Si NWs paralel ketika tegangan diterapkan ke elektroda saluran dengan menyapu dari bias positif ke negatif, seperti yang ditunjukkan pada inset. Ada 24 NW paralel di seluruh elektroda Pt. b Kurva IV diukur pada sapuan pertama (garis hitam) dan sapuan kedua (garis merah) dari + 1 hingga 1 V. c Kurva IV dari Si NWs paralel ketika tegangan diterapkan ke elektroda saluran dengan menyapu dari bias negatif ke positif, seperti yang ditunjukkan pada inset. Ada 18 NW paralel di seluruh elektroda Pt. d Kurva IV diukur pada sapuan pertama (garis hitam) dan sapuan kedua (garis merah) dari 0,5 hingga + 0,5 V

Selain itu, kurva I-V seperti zigzag dapat dilihat dengan jelas ketika tegangan diterapkan ke elektroda pembuangan dengan menyapu dari + 3 ke − 3 V dan 2 hingga + 2 V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, c, masing-masing. Fenomena ini dapat dijelaskan oleh efek pemanasan Joule asimetris, yang berasal dari arus listrik yang mengalir melalui Si NWs karena tegangan yang diterapkan pada elektroda Pt meningkat. Efek pemanasan Joule asimetris terjadi dari distribusi suhu yang tidak merata antara elektroda, dan suhu di daerah anoda lebih tinggi dari daerah katoda [26]. Untuk pengukuran kurva I-V, arus pada tegangan yang diterapkan 3 V adalah sekitar beberapa ratus nanoampere seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5 dan File tambahan 1:Gambar S1, yang jauh lebih kecil daripada yang ada di ref. [26]. Namun, diameter Si NWs adalah sekitar 100 nm, yang jauh lebih kecil dari lebar saluran perangkat di ref. [26]. Selain itu, karena kawat nano hanya teradsorpsi pada elektroda dengan metode penyelarasan DEP, area kontak mungkin jauh lebih kecil daripada penampang kawat nano. Jadi, rapat arus pada kontak elektroda-NW mungkin cukup tinggi untuk menyebabkan pemanasan Joule. Ini juga dapat dilihat setelah + 3 dan 3 V DC diterapkan ke elektroda pembuangan untuk penyelarasan DEP Si NWs seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, b, masing-masing. Kedua gambar tersebut menunjukkan bahwa daerah anoda sangat hancur karena pelelehan dibandingkan dengan daerah katoda.

a Gambar SEM perangkat berbasis Si NW setelah tegangan DC + 3 V diterapkan ke elektroda pembuangan untuk penyelarasan Si NW. b Gambar SEM perangkat berbasis Si NW setelah tegangan DC 3 V diterapkan ke elektroda pembuangan untuk penyelarasan Si NW. Garis putus-putus putih menunjukkan tepi elektroda sebelum proses penyelarasan DEP

Ketika kurva IV perangkat diukur dalam mengurangi atmosfer (H₂ /Ar), properti penyearah tidak diperoleh dengan menyapu dalam rentang tegangan yang besar (dari 3 hingga 3 V) seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 2:Gambar S2(a). Kurva IV simetris dan mendekati linier, yang menunjukkan hanya penghalang kecil pada antarmuka antara kawat nano dan dua elektroda. Namun, Pt dan n-Si secara teoritis dapat membentuk penghalang Schottky pada kontak Pt/n-tipe Si karena fungsi kerja Pt (~ 6.1 eV) lebih besar daripada Si tipe-n (~ 4.15 eV). Pada penelitian ini kawat nano hanya teradsorpsi pada elektroda dengan metode DEP aligning. Dengan demikian, perubahan ketinggian penghalang mungkin karena adsorpsi gas pada permukaan Si. Setelah penyapuan dalam rentang tegangan yang besar, kemiringan kurva I-V meningkat seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 2:Gambar S2(b), yang menunjukkan bahwa pengukuran penyapuan rentang tegangan yang besar dalam mereduksi gas dapat mengurangi resistansi pada kedua kontak elektroda-NW. Namun, udara yang mengandung O₂ dan H₂ O adalah suasana oksidatif. Di udara, laju oksidasi Si lebih tinggi pada suhu tinggi dibandingkan dengan pada suhu rendah. Dengan demikian, kita dapat menyimpulkan bahwa untuk pengukuran sapuan rentang tegangan yang besar di udara, peningkatan tinggi penghalang di daerah anoda disebabkan oleh pembentukan SiO2 teroksidasi tipis _x lapisan di antarmuka, yang menunjukkan situs perangkap elektron.

Gambar 7 menunjukkan diagram pita energi skematis untuk perangkat berbasis Si NW sebelum dan sesudah perlakuan pemanasan Joule asimetris. Awalnya, Pt dan n-Si membentuk ketinggian penghalang kecil yang sama di kedua ujung NWs setelah penyelarasan DEP. Ketika tegangan diterapkan ke elektroda saluran dengan menyapu dari positif ke negatif (dalam metode 1) atau negatif ke bias positif (dalam metode 2), tinggi penghalang pada sisi anoda suhu tinggi akan disetel secara bersamaan karena Joule asimetris efek pemanasan. Dengan kata lain, ketinggian penghalang akan meningkat dan mendominasi perilaku penyearahan perangkat seperti yang kami simpulkan dari karakteristik penyearah IV yang ditunjukkan pada Gambar. 5.

Diagram pita energi skema untuk kontak Si/Pt tipe-n setelah penyelarasan DC-DEP (tengah atas). Perangkat mengalami proses pemanasan Joule asimetris karena tegangan diterapkan ke elektroda pembuangan dengan menyapu dari bias positif ke negatif pada metode 1 (kiri) atau bias negatif ke positif pada metode 2 (kanan)

Untuk menyelidiki properti photosensing dari perangkat berbasis Si NW rectifying dalam kasus ini, cahaya putih broadband dengan intensitas 825 mW/cm ² ditampilkan secara vertikal pada perangkat sementara karakteristik respons foto yang sesuai direkam, seperti yang digambarkan pada Gambar. 8a. Gambar 8b menunjukkan kurva IV perangkat ini di bawah gelap (kurva hitam) dan iradiasi cahaya putih pita lebar (kurva merah). Ini mengungkapkan bahwa arus foto dapat diinduksi, dan sensitivitas yang lebih tinggi dicapai ketika perangkat menunjukkan karakteristik IV terbalik yang ditunjukkan pada inset Gambar. 8b. Perilaku fotorespons yang bergantung pada waktu diselidiki ketika perangkat terkena cahaya putih dengan menyalakan dan mematikan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8c, saat perangkat berada di bawah eksitasi cahaya putih pada + 0,75 V dalam mode bias maju, arus meningkat dari 20 menjadi 35 nA dalam waktu 15 d, yang ditingkatkan hanya 75%. Saat lampu putih dimatikan, arus menurun ke nilai awal dalam waktu 30 detik. Di sisi lain, ketika perangkat berada di bawah eksitasi cahaya putih pada 0,75 V dalam mode bias mundur, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8d, arus meningkat secara tiba-tiba dari 40 menjadi 430 pA dalam 64 md, yang berarti hingga 13 kali lebih besar dari perangkat dalam mode bias maju. Selanjutnya, tingkat pemulihan yang lebih tinggi dapat diamati saat arus menurun ke nilai awal dari status saturasi hanya dalam 48 md saat lampu putih padam.

a Skema sensor berbasis Si NW di bawah penerangan cahaya putih dengan intensitas 825 mW/cm ² . b Kurva IV dari sensor berbasis Si NW di bawah penerangan cahaya gelap dan putih. Inset menunjukkan properti IV yang sesuai dalam skala semi-logaritmik. c Respons foto resolusi waktu dari sensor berbasis Si NW pada + 0,75 V dalam mode bias maju di bawah penerangan cahaya putih dengan menyalakan dan mematikan. d Respons foto resolusi waktu dari sensor berbasis Si NW pada 0,75 V dalam mode bias mundur di bawah penerangan cahaya putih dengan menyalakan dan mematikan. Perangkat yang disiapkan sama dengan yang digunakan untuk melakukan pengukuran properti transpor listrik pada Gambar. 5a, b

Dalam hal kinerja photoresponse, perbedaan hasil di atas dapat dijelaskan sebagai berikut. Saat perangkat dalam mode bias maju, lebar daerah penipisan berkurang dan meningkatkan aliran arus yang mengarah ke sensitivitas yang lebih rendah terhadap cahaya putih. Namun, perangkat dalam mode bias terbalik, sebaliknya, memiliki wilayah penipisan yang lebih besar di mana terdapat medan listrik bawaan yang kuat. Elektron dan lubang yang difotogenerasi dapat dipisahkan secara efisien dan mengurangi tingkat rekombinasi lubang elektron di bawah penerangan cahaya putih, sehingga menghasilkan peningkatan kepadatan pembawa bebas yang tiba-tiba. Oleh karena itu, perangkat penyearah memiliki properti tingkat respons yang tinggi. Namun, dalam penelitian sebelumnya [27, 28], perangkat penyearah dengan satu elektroda kontak Ohmic dan elektroda kontak Schottky lainnya dibuat dengan memilih berbagai bahan elektroda. Dalam penelitian ini digunakan proses pembuatan yang mudah. Perilaku rektifikasi perangkat NW yang dibentuk oleh penyelarasan dielektroforesis diperoleh hanya dengan pemanasan Joule asimetris dalam proses pengukuran listrik.