Fabrikasi yang mudah dari saluran jaringan kawat nano ZnO rakitan dan deteksi UV yang dikontrol gerbangnya

Hasil dan diskusi

Gambar 1 menunjukkan diagram skema yang menjelaskan persiapan saluran jaringan ZnO NW yang meresap dan perlakuan panas selanjutnya. Pertama, substrat berpola OTS dicelupkan ke dalam suspensi ZnO NW (1 wt% dalam dichlorobenzene) dan ditarik dari suspensi ZnO NW menggunakan sistem penarik buatan sendiri pada kecepatan penarikan yang berbeda 0,5 mm min ⁻¹ hingga 10 mm mnt ⁻¹ (File tambahan 1:Gambar S1). Selama proses penarikan, meniskus cair yang mengandung ZnO NWs diseret ke substrat berpola OTS. ZnO NW dirakit secara eksklusif pada SiO₂ yang terpapar wilayah saluran. Seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gbr. 2a, total 100 perangkat difabrikasi pada wafer 4 inci menggunakan metode fabrikasi kami. Gambar 2a menunjukkan gambar optik saluran jaringan ZnO NW yang meresap, dan sisipan menunjukkan larik perangkat FET. Diameter rata-rata ZnO NW adalah 200 nm, panjang NW adalah 2~3 μm, panjang dan lebar saluran masing-masing adalah 6 μm dan 20 μm. Setelah perakitan ZnO NW, elektroda source-drain dibuat dengan teknik fotolitografi konvensional, deposisi termal logam (10 nm Ti, 300 nm Al) dan proses pengangkatan.

Diagram skema prosedur fabrikasi FET jaringan ZnO NW. Perakitan ZnO NWs pada substrat berpola molekuler menggunakan proses penarikan

Pembentukan saluran dan kontrol ketebalan perangkat FET jaringan ZnO NW. a Gambar optik yang diperbesar dari saluran jaringan NW dengan panjang 6 m dan elektroda Al. Insetnya adalah mikrograf optik dari perangkat array 10 × 10 dengan saluran berpola mikro. b Gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) menunjukkan perakitan selektif ZnO NWs ke pola garis dengan lebar garis beragam 5, 10, dan 20 m. c Gambar AFM dari jaringan ZnO NWs. d Distribusi rata-rata tinggi vs kecepatan tarikan pada kecepatan tarikan berbeda 0,5~ 10 mm min ⁻¹ . Sisipan menunjukkan profil ketinggian AFM untuk kecepatan tarikan yang berbeda 0,5, 2, 10 mm min ⁻¹

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, kami dapat memperoleh pola ZnO NW dengan lebar garis beragam 5, 10, dan 20 μm dengan mengubah SiO₂ ukuran pola wilayah. Daerah OTS sekitarnya adalah non-polar karena terminal metil dari molekul OTS. NW dianggap hanya teradsorpsi pada SiO2 polar₂ daerah dengan interaksi van der Waals [40]. Perakitan selektif ZnO NWs juga dikonfirmasi dengan spektroskopi sinar-X (EDS) dispersi energi (lihat File tambahan 1:Gambar S2). Di sini, sinyal Zn terbatas pada wilayah dengan ZnO NWs.

Sifat fisik saluran jaringan ZnO NW yang meresap seperti ketebalan dan kepadatan dikontrol dengan memodulasi kecepatan penarikan substrat dari larutan NW selama perakitan NW. Gambar 2c menunjukkan gambar AFM (atomic force microscopy) jaringan ZnO NW yang dirakit pada kecepatan penarikan yang berbeda 0,5, 2, dan 10 mm min ⁻¹ . Profil ketinggian rata-rata vs kecepatan tarikan ditunjukkan pada Gambar. 2d. Kepadatan NW adalah 1,21 NW m ⁻² dengan kecepatan tarik 0,5 mm mnt ⁻¹ , dan 0,09 NW m ⁻² pada 10 mm mnt ⁻¹ . Ketebalan saluran NW meningkat dengan mengurangi kecepatan tarikan. Ketinggian saluran NW biasanya sekitar 1,5~2 kali lebih tinggi dari diameter rata-rata NW tunggal 200 nm pada tingkat kecepatan paling lambat 0,5 mm min ⁻¹ (Gbr. 2d, sisipan). Dengan kecepatan tarikan 10 mm mnt ⁻¹ , koneksi jaringan mencapai batas perkolasi, di luar itu jaringan tidak menunjukkan koneksi. Metode fabrikasi perangkat jaringan ZnO NW saat ini umumnya melibatkan deposisi elektroda film berlapis ZnO NW, diikuti dengan beberapa jenis proses etsa untuk menentukan saluran [38, 39]. Metode ini sulit untuk mengontrol dimensi fisik seperti penyesuaian lebar saluran ZnO. Untuk mengatasi masalah ini, telah dipelajari metode pertumbuhan hidrotermal ZnO NWs pada lapisan pra-pola [44, 45], tetapi juga memerlukan proses etsa tambahan dan/atau proses pertumbuhan hidrotermal yang memakan waktu dan biaya. Sebaliknya, metode kami dapat dengan mudah mengontrol lebar dan panjang saluran dengan sebelumnya membuat pola saluran dengan molekul OTS dan kemudian merakit NW melalui sistem penarik.

Sifat listrik juga dapat dikontrol dengan memodulasi kecepatan tarikan. Gambar 3 menunjukkan sifat listrik sebelum perlakuan panas. Gambar 3a menunjukkan perubahan karakteristik I–V dengan kecepatan tarikan yang berbeda. Saat kecepatan tarikan diturunkan dari 2 menjadi 0,5 mm min ⁻¹ , arus awal meningkat dari 5 menjadi 50 nA pada 1 V. Hal ini mungkin disebabkan oleh peningkatan konektivitas jaringan dengan peningkatan kepadatan NW di saluran. Kurva karakteristik I–V yang bergantung pada gerbang tipikal dari ZnO NW FET yang dibuat pada 2 mm min ⁻¹ kecepatan menarik ditunjukkan pada Gambar. 3b, c. Gambar 3b menampilkan karakteristik I–V pada tegangan gerbang yang berbeda V _g nilai (dari 60 V hingga 60 V dalam langkah 20 V). Aku _ds -V _g karakteristik gerbang pada Gambar. 3c menunjukkan karakteristik tipe-n yang khas dengan rasio hidup-mati yang meningkat sebanyak lima kali lipat dari arus mati 3 pA menjadi 556 nA dan arus mati berkurang ketika kecepatan tarikan ditingkatkan dari 0,5 menjadi 2 mm min ⁻¹ (lihat File tambahan 1:Gambar S3). Peningkatan rasio on-off dengan penurunan kerapatan film dapat dijelaskan dengan mencatat bahwa saluran lebih dipengaruhi oleh medan listrik dari gerbang belakang karena kami membuat saluran NW lebih tipis [46]. Selain itu, kecepatan tarikan berpengaruh pada hasil perangkat dan distribusi frekuensi resistansi dua probe (File tambahan 1:Gambar S4). Resistansi menunjukkan nilai rata-rata 28,2 ± 4 MΩ dan ~ 92% hasil pada 0,5 mm min ⁻¹ . Namun, distribusi bergeser ke 877 ± 280 MΩ dan ~ 78% hasil pada 2 mm min ⁻¹ kecepatan menarik. Di sini, hasil didefinisikan sebagai fraksi jumlah perangkat dengan nilai resistansi terukur di atas kebisingan peralatan.

Konektivitas dan sifat kelistrikan jaringan ZnO NW dengan mengontrol kecepatan tarikan. a Sifat kelistrikan FET jaringan ZnO NW dengan kecepatan tarik 0,5 dan 2 mm min ⁻¹ . Karakteristik tegangan arus khas perangkat yang dibuat pada kecepatan tarikan berbeda 0,5 dan 2 mm min ⁻¹ . Saluran jaringan menunjukkan kontak Schottky dari 1 hingga 1 V. Sisipannya adalah gambar SEM saluran jaringan pada 0,5 (kiri atas) dan 2 (kanan bawah) mm min ⁻¹ . Bilah skala adalah 10 μm untuk kedua kasus. b Karakteristik arus-tegangan dari berbagai tegangan gerbang belakang. V _g berkisar dari 60 V hingga 60 V dalam langkah 20 V. c Aku _ds vs V _g hubungan saluran jaringan ZnO NW dibuat di berbagai V _ds . V _ds berkisar dari 0 hingga 7 V dalam langkah 1 V

Di sini, karakteristik gerbang FET tidak memiliki rezim saturasi yang bersih. Menurut laporan sebelumnya, jaringan ZnO NW tidak menunjukkan rezim saturasi yang bersih, mungkin karena peningkatan hamburan pembawa oleh jalur jaringan NW yang kompleks, luas permukaan yang besar, dan batas butir di persimpangan NW [47]. Jaringan ZnO NW kami membentuk sejumlah jalur antara sumber dan saluran. Juga, saluran jaringan ZnO NW memiliki ketebalan hingga sekitar 0,4 μm (Gbr. 2d). Ketebalan kawat nano yang tidak seragam menyebabkan jarak gerbang yang berbeda untuk setiap kawat nano, dan derajat modulasi yang sedikit berbeda. Oleh karena itu, karakteristik FET tidak memiliki rezim saturasi yang bersih seperti FET kawat nano tunggal.

Sifat listrik dari perangkat yang diproduksi dapat ditingkatkan dengan proses perlakuan panas berikutnya untuk meningkatkan keseragaman sifat listrik dan selanjutnya menurunkan resistansi kontak antara NWs [41]. Perlakuan panas dilakukan pada kondisi tekanan rendah pada 300 °C selama 10 menit sambil mengalirkan gas Ar pada 100 sccm (lihat File tambahan 1:Gambar S5). Gambar 4 menunjukkan perubahan sifat kelistrikan sampel yang dibuat pada 2 mm min ⁻¹ kecepatan menarik. Setelah perlakuan panas, arus pada bias 1 V meningkat dari 600 nA menjadi 6,5 μA (Gbr. 4a). Distribusi frekuensi resistansi pada Gambar. 4b menunjukkan penurunan resistansi rata-rata dari 877 ± 280 MΩ menjadi 207 ± 37 kΩ, sekitar 3 orde besarnya. Juga, hasil perangkat meningkat dari 78 menjadi 90%, mungkin karena kontak listrik yang ditingkatkan antara NW. Kami berfokus pada penggunaan keunggulan peningkatan koneksi NW melalui perlakuan panas. Untuk alasan ini, suhu tidak dinaikkan menjadi lebih dari 400 °C di mana ZnO mengkristal. Rekristalisasi tersebut telah dilaporkan mempengaruhi desorpsi oksigen dan karakteristik adsorpsi pada permukaan ZnO selama iluminasi UV [41]. Oleh karena itu, untuk mendapatkan hanya peningkatan koneksi antara NW melalui perlakuan panas, perlakuan panas dilakukan hingga 300 °C untuk meningkatkan antarmuka antara NW. Ini menghasilkan peningkatan stabilitas dan karakteristik listrik. Kami percaya bahwa proses perlakuan panas kami dapat menghilangkan molekul penyerap seperti uap air atau hexamethylenetetramine (HMTA), karena suhu proses kami lebih tinggi dari titik leleh HMTA (290 °C). Hal ini menghasilkan peningkatan kinerja NW FET karena meningkatkan sambungan antara NW dan menghilangkan molekul penyerap lain yang menurunkan kinerja NW seperti kelembaban.

Sifat kelistrikan jaringan ZnO NWs setelah perlakuan panas. a Karakteristik tegangan arus tipikal sebelum dan sesudah anil kecepatan tarikan 2 mm mnt ⁻¹ . Saluran jaringan menunjukkan perilaku kontak Schottky. (inset) Karakteristik I–V sebelum anil, diperbesar. b Distribusi frekuensi resistensi jaringan ZnO NWs ditarik dengan kecepatan 2 mm min ⁻¹ . Resistensi rata-rata menurun untuk sekitar tiga pesanan. (c ) Karakteristik I–V pada tegangan gerbang belakang yang berbeda. V _g berkisar dari 60 V hingga 60 V dalam langkah 20 V. d Sifat listrik I _ds vs V _g setelah perlakuan panas. e Perbandingan Aku /Aku _nonaktif rasio pada V . yang berbeda _g nilai, sebelum dan sesudah perlakuan panas (V _g langkah = 5 V). f Peningkatan transkonduktansi dengan perlakuan panas

Tipikal I _ds -V _ds dan Aku _ds -V _g kurva karakteristik dari ZnO NW FET ditunjukkan pada Gambar. 4c, d. Gambar 4e menunjukkan bahwa Saya _ds -V _g kurva karakteristik serupa sebelum dan sesudah perlakuan panas, dan maksimum I _pada /Aku _nonaktif rasionya adalah ~ 2 × 10 ⁵ . Hal ini menunjukkan bahwa perlakuan panas hanya meningkatkan hubungan antara NWs untuk menurunkan resistansi dan tidak menyebabkan perubahan sifat listrik intrinsik. Gambar 4f menunjukkan peningkatan transkonduktansi dI _ds /dV _g setelah perlakuan panas, yang dapat dikaitkan dengan peningkatan mobilitas elektron pada perangkat ZnO NW. Transkonduktansi maksimum (g _m = dI _ds /dV _g ) diekstraksi dari kemiringan maksimum I _ds -V _g karakteristik dan rasio on-off maksimum pada 7 V V_ds . (File tambahan 1:Gambar S6). Transkonduktansi maksimum yang dihitung adalah ~ 47 nS pada V _g = − 30 V. Kami menggunakan rumus μ = g _m ·L /(A ·B _d ·V _ds ) untuk perkiraan perhitungan mobilitas [48]. Mobilitas dihitung menjadi 0,175 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Ini sebanding dengan nilai yang dilaporkan sebelumnya sebesar 0,018 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ menggunakan susunan perangkat ZnO NWs [49].

Akhirnya, kami mengamati respons foto UV dari FET jaringan ZnO dan ketergantungannya pada tegangan gerbang. Gambar 5a menunjukkan karakteristik I–V dengan iluminasi UV pada tegangan gerbang yang berbeda (dari 60 V hingga 60 V, dalam langkah 20 V). Aku _ds -V _g karakteristik di bawah iluminasi UV pada Gambar 5b menunjukkan penurunan rasio on-off. Sinar UV memiliki efek meningkatkan arus off perangkat FET tipe-n dengan menciptakan pembawa fotoeksitasi. Gambar 5c menunjukkan perbedaan arus terukur untuk kondisi nyala dan mati lampu UV. Fotoresponsivitas UV (I _ringan /Aku _gelap :rasio arus foto ke arus gelap) bervariasi tergantung pada tegangan gerbang yang diterapkan dan menunjukkan nilai rasio maksimum 8,6 × 10 ⁵ di V_g 55 V atau kurang. Sisipan Gbr. 5c menunjukkan I _ds -V _g karakteristik dengan dan tanpa iluminasi UV saat V_ds = 7 V (V _ds -Aku _ds karakteristik ditampilkan di File tambahan 1:Gambar S7). Gambar 5d menunjukkan hubungan linier antara I _ringan /Aku _gelap dan rasio arus hidup-mati (I _pada /Aku _nonaktif ). Aku _pada /Aku _nonaktif peningkatan mengarah pada peningkatan fotoresponsivitas UV. Untuk menunjukkan peningkatan dengan peningkatan nilai saat ini V _d , kami memplot data Gambar 5d sebagai nilai on-off sesuai dengan arus (inset). Kemudian, V _g = − 60 V dan V _d = 7 Kondisi V adalah kondisi optimal di mana I _ringan /Aku _gelap rasio maksimum saat membandingkan sebelum dan sesudah iluminasi UV.

Karakteristik penginderaan UV dari ZnO NW FET. a Karakteristik I–V di bawah iluminasi UV pada voltase gerbang belakang yang berbeda. V _g berkisar dari 60 V hingga 60 V dalam langkah 20 V. b Sifat kelistrikan I_ds vs V_g di bawah iluminasi UV. c Aku _ringan /Aku _gelap sebagai perubahan tegangan gerbang. Maksimum Saya _ringan /Aku _gelap diperoleh sekitar V g ~ 55 V. Sisipan, Saya _ds -V _g karakteristik di bawah iluminasi UV dan di bawah kegelapan. d Hubungan linier antara foto/rasio gelap saat ini (I _ringan /Aku _gelap ) dan rasio lancar hidup-mati awal (I _pada /Aku _nonaktif ) dari ZnO NW FET. Sisipan menunjukkan awalan I _pada /Aku _nonaktif rasio untuk berbagai V _ds . Maksimum I _pada /Aku _nonaktif rasio berada di V _ds = 7 V. e Fotorespons fotodetektor FET jaringan ZnO NW dengan dan tanpa iluminasi UV di udara. Inset menunjukkan karakteristik peluruhan eksponensial setelah lampu UV mati. f Fotorespons waktu dari perangkat saluran jaringan ZnO NW direkam dengan menyalakan dan mematikan lampu UV

Aku _ds -V _g karakteristik di bawah sinar UV menunjukkan bahwa transistor berubah dari keadaan semikonduktor (Gbr. 4c) menjadi konduksi (akumulasi) (Gbr. 5b). Perubahan ini diharapkan dapat meningkatkan konsentrasi pembawa fotoeksitasi ke tingkat yang merosot di bawah sinar UV [50]. Aku _ringan /Aku _gelap rasio perangkat kami sekitar 2 × 10 ⁴ , 10 dan 6, masing-masing pada tegangan gerbang 60 V, 0 V, dan 60 V (Gbr. 5e). Hal ini menunjukkan bahwa fotoresponsivitas UV dapat diatur oleh tegangan gerbang. Sebagai V _g menurun, fotoresponsivitas meningkat.

Kami membandingkan kinerja fotoresponsivitas fotodetektor berbasis jaringan ZnO NW dari penelitian lain. Misalnya, susunan kawat nano ZnO yang ditumbuhkan CVD menunjukkan fotoresponsivitas UV (I _ringan /Aku _gelap ) dari ~ 10 ⁴ [33, 51]. Dalam kasus kami, kami dapat mencapai responsivitas fotodetektor yang serupa sebesar 2 × 10 ⁴ tanpa menggunakan suhu tinggi dan/atau proses vakum tinggi. Studi lain yang menggunakan metode seperti pencetakan inkjet [47] atau kawat nano yang disejajarkan secara vertikal [52] menunjukkan tingkat respons foto 10 ³ sampai 10 ⁴ , yang sebanding atau sedikit lebih rendah dari penelitian kami (lihat File tambahan 1:Gambar S8). Selanjutnya, penelitian kami menunjukkan karakteristik gerbang yang dapat dikontrol, yang menguntungkan dalam menyetel sensitivitas perangkat sesuai dengan kondisi cahaya.

Respon UV dari ZnO NWs dapat dijelaskan dengan modulasi daerah deplesi yang dihasilkan dari desorpsi dan adsorpsi oksigen [53]. Sinar UV menyebabkan desorpsi ion oksigen yang teradsorpsi pada permukaan ZnO NW. Desorpsi oksigen meningkatkan ketebalan saluran efektif, menghasilkan peningkatan arus melalui NWs. Selain itu, pengurangan daerah desorpsi karena desorpsi oksigen oleh sinar UV menurunkan tinggi penghalang persimpangan antara NWs, yang membuat aliran arus lebih efisien [54, 55]. Karena perangkat kami menunjukkan perilaku semikonduktor tipe-n, arus gelap diminimalkan secara besar-besaran V _g . Oleh karena itu, fotoresponsivitas pada tegangan gerbang negatif yang besar dimaksimalkan (lihat File tambahan 1:Gambar S9).

Selain itu, tegangan gerbang mempengaruhi waktu pemulihan ke keadaan awal saat lampu UV dimatikan. Musim gugur (pembusukan) saat V _g = − 60 V dan + 60 V adalah 52 s dan 141 s, masing-masing, menunjukkan perbedaan tiga kali (inset, Gbr. 5e). Waktu di mana arus meningkat (waktu naik) atau menurun (waktu turun) dari 10% menjadi 90% didefinisikan sebagai waktu pemulihan. Medan listrik akibat bias gerbang mempengaruhi kemungkinan rekombinasi elektron dan hole dalam proses penyerapan molekul oksigen yang didesorbsi oleh sinar UV [56, 57]. Ini terlibat dalam waktu untuk kembali ke keadaan awal perangkat. Oleh karena itu, waktu pemulihan dapat tertunda atau pendek tergantung pada medan listrik. Gambar 5f menunjukkan respons foto berulang dengan menerapkan V _g = − 60 V. Ini menunjukkan respons foto resolusi waktu dari perangkat saluran jaringan ZnO NW yang direkam dengan menyalakan dan mematikan lampu UV. Kami mengonfirmasi bahwa tidak ada degradasi fotoresponsivitas yang terjadi untuk respons UV berulang.