Konduktivitas Bergantung Ukuran Nanowires Silikon Individu: Wawasan dari CAFM
Abstrak
Array teratur secara periodik dari nanowires silikon (Si NWs) yang direntangkan vertikal berhasil difabrikasi dengan litografi nanosphera digabungkan dengan perekatan kimia assisted logam. Dengan menyesuaikan waktu perekatan, baik diameter maupun panjang nanowires dapat dikontrol dengan baik. Properti konduktif dari Si NWs ini dan khususnya ketergantungan ukurannya diselidiki dengan mikroskopi gaya atom konduktif (CAFM) pada nanowires individu. Hasil menunjukkan bahwa konduktansi Si NWs sangat relevan dengan diameter dan panjangnya. Si NWs dengan diameter yang lebih kecil dan panjang yang lebih pendek menunjukkan properti konduktif yang lebih baik. Bersama dengan karakterisasi kurva I–V, mekanisme yang mungkin diajukan dengan sudut pandang ketinggian dinding Schottky bergantung ukuran, yang diverifikasi lebih lanjut oleh pengukuran mikroskopi gaya elektrostatis (EFM). Penelitian ini juga menyarankan bahwa CAFM dapat berfungsi sebagai sarana efektif untuk menjelajahi ketergantungan ukuran (atau parameter lain) dari properti konduktif pada struktur nano individu, yang harus esensial baik untuk optimasi fabrikasi maupun aplikasi potensial struktur nano.
Pendahuluan
Nanowires silikon (Si NWs) telah mendapatkan aplikasi yang menjanjikan dalam elektronik, fotonik, optoelektronik, dan banyak bidang lainnya karena rasio aspek tinggi dan properti listrik, termolistrik, dan fotoelektrik unik, serta kompatibilitas dengan teknologi silikon tradisional [1,2,3,4,5]. Dalam beberapa dekade terakhir, penelitian Si NWs terutama berfokus pada peningkatan pertumbuhan dan pengukuran properti. Banyak metode telah dikembangkan untuk menyiapkan Si NWs, termasuk metode bottom-up seperti metode vapor-liquid-solid, depozisi uap kimia, dan epitaksi molekular besam [6,7,8,9,10] dan pendekatan top-down menggunakan litografi sinar elektron, perekatan ion reaktif, atau perekatan kimia assisted logam [11,12,13,14,15,16]. Di antara metode ini, litografi nanosphera (NSL) digabungkan dengan perekatan kimia assisted logam (MACE) telah intensif diadopsi untuk memproduksi array teratur luas daerah dari Si NWs yang direntangkan vertikal karena kesederhanaannya, biaya rendah, dan keberagaman [15,16,17,18,19,20,21,22,23]. Si NWs yang dihasilkan oleh MACE biasanya memiliki permukaan yang sangat kasar dan bahkan berpori [18,19,20,21], yang justru membuatnya memiliki luas permukaan spesifik yang besar dan properti yang sangat baik, mengarah pada potensi aplikasi besar dalam biosensor, perangkat termolistrik, baterai lithium-ion, sel surya, dll. [22,23,24]. Untuk merealisasikan aplikasi tersebut, esensial untuk mendapatkan pemahaman yang baik tentang properti listrik mereka. Saat ini, dua jenis metode sering diterapkan untuk menyelidiki properti listrik nanowires. Satu dilakukan dengan metode makroskopis biasa, yang relatif mudah dilakukan tetapi hanya dapat memberikan hasil rata-rata atas sekelompok besar nanowires [24, 25]. Yang lain dilakukan pada nanowires individu dengan perangkat nanowire tunggal yang difabrikasi khusus [21, 26,27,28], yang dapat mengelakkan pengaruh ketidakseragaman ukuran tetapi sulit dicapai, terutama saat mengukur ketergantungan properti. Oleh karena itu, metode yang lebih nyaman untuk mempelajari properti listrik pada NWs individu tanpa fabrikasi nano yang kompleks sangat diperlukan.
Dalam beberapa dekade terakhir, pengukuran listrik berdasarkan mikroskopi sond pemindaian (SPM) mengungkapkan dirinya sebagai teknik canggih untuk karakterisasi listrik pada skala nano [29, 30]. Di antara teknik SPM ini, mikroskopi gaya atom konduktif (CAFM) telah berhasil diterapkan untuk mempelajari properti konduktif pada struktur nano tunggal atau individu [30,31,32]. Penelitian CAFM pada berbagai nanowires, seperti ZnO, InAs, CdS, CdSe, GaAs, InAsSb, dan Si NWs, telah dilaporkan [33,34,35,36,37,38]. Sementara sebagian besar penelitian berfokus pada properti konduktif nanowires dengan parameter tetap, beberapa penelitian dilakukan untuk menjelajahi ketergantungan doping pada properti konduktif [37,38,39]. Ketergantungan ukuran pada properti konduktif nanowires belum banyak diteliti. Hanya beberapa studi yang dilaporkan tentang properti konduktif bergantung diameter nanowires, bahkan tidak terbatas pada CAFM, dan sebagian besar dari mereka menangani ketergantungan diameter pada resistivitas nanowires [25, 40,41,42]. Misalnya, beberapa penelitian pada nanowires GaN menemukan bahwa resistivitas tinggi pada diameter kritis (20 ~ 80 nm, tergantung pada metode fabrikasi) dan tetap tidak berubah di luar itu [41, 43], sedangkan penelitian lain pada nanowires Si melaporkan bahwa resistivitas nanowire menurun seiring peningkatan diameter dalam rentang puluhan hingga ratusan nanometer [40, 44]. Untuk nanowires semikonduktor dengan kontak logam, dinding Schottky dapat memainkan peran penting dalam properti konduktif mereka. Oleh karena itu, kecuali resistivitas, dinding Schottky harus dipertimbangkan dalam kehadiran nanowires semikonduktor. Beberapa kertas telah berfokus pada ketergantungan diameter pada ketinggian dinding Schottky (SBH), tetapi hasilnya tidak konsisten. Misalnya, Calahorra et al. menghitung SBH dengan menyelesaikan persamaan Poisson dalam nanowire, dan menemukan tren yang jelas dari peningkatan ketinggian dinding dengan pengurangan ukuran [45]. Ketergantungan diameter yang serupa dilaporkan secara eksperimental oleh Soudi et al. saat menyelidiki ketergantungan diameter pada fotovoltaj permukaan dan kepadatan keadaan permukaan pada perangkat nanowire tunggal ZnO. Mereka menemukan bahwa ketinggian dinding permukaan meningkat seiring menurunnya diameter (20–60 nm), yang diartikan oleh kepadatan keadaan permukaan yang disimulasikan menggunakan persamaan Poisson [46]. Sebaliknya, pengukuran mikroskopi foto arus pemindaian pada transistor efek lapangan nanowire tunggal Si oleh Yoon et al. mengungkapkan ketergantungan yang sebaliknya, yaitu, ketinggian dinding menurun seiring menurunnya diameter karena kontribusi keadaan antarmuka [47]. Penelitian eksperimental lain oleh Mao et al. pada dioda Schottky nanojarum tunggal Pt/ZnO juga melaporkan ketinggian dinding menurun seiring menurunnya diameter, yang dijelaskan oleh efek pemanasan joule dan/atau ketidakhomogenan elektronik antarmuka [48]. Oleh karena itu, hingga saat ini, ketergantungan diameter pada properti konduktif nanowires belum mencapai konsensus dan jauh dari dipahami secara menyeluruh. Khususnya, studi properti konduktif bergantung ukuran serta SBH bergantung ukuran belum dilaporkan pada Si NWs individu yang difabrikasi dengan metode MACE, yang memiliki permukaan yang cukup kasar untuk aplikasi yang menjanjikan.
Dalam makalah ini, array periodik dari Si NWs yang direntangkan vertikal dengan diameter dan panjang yang berbeda disiapkan dengan metode NSL digabungkan dengan MACE. Baik diameter maupun panjang SiNWs dapat dikontrol dengan baik dengan menyesuaikan waktu perekatan. Properti konduktif dari Si NWs individu di dalam array diselidiki dengan CAFM tanpa fabrikasi nano lebih lanjut, yang dapat mempelajari properti konduktif bergantung ukuran pada Si NWs individu dengan nyaman dengan cukup mengganti sampel. Hasil menunjukkan bahwa arus yang diukur pada Si NWs individu sangat bergantung pada diameter dan panjang NWs. Si NWs dengan diameter yang lebih kecil dan panjang yang lebih pendek menunjukkan properti konduktif yang lebih baik. Dari pemasangan kurva I–V, ketinggian dinding Schottky bergantung ukuran dapat diperoleh, yang ditemukan berfungsi sebagai faktor kunci untuk menentukan properti konduktif bergantung ukuran nanowires. Selanjutnya, SBH bergantung ukuran yang serupa juga diperoleh oleh pengukuran mikroskopi gaya elektrostatis (EFM). Oleh karena itu, penelitian kami tidak hanya mengungkap properti bergantung ukuran Si NWs tetapi juga menyarankan bahwa CAFM dapat berfungsi sebagai sarana efektif untuk menjelajahi ketergantungan ukuran (atau parameter lain) dari properti konduktif pada struktur nano individu.
Bahan dan Metode
Bahan
Wafer Si dibeli dari MTI (China). Suspensi (2,5 wt% dalam air) dari bola polistirena (PS, diameter 490 nm) dibeli dari Duke Scientific (USA). Aseton, metanol, asam sulfur, peroksida hidrogen, dan asam hidroflorik untuk pembuatan Si NWs dibeli dari Sinopharm Chemical Reagent (China). Air deion (DI, 18,2 MΩ·cm) diperoleh dari sistem ultrafiltrai (Milli-Q, Millipore, Marlborough, MA).
Pabrikasi Si NWs
Array nanowires silikon yang teratur vertikal difabrikasi dengan NSL digabungkan dengan MACE, yang telah dijelaskan secara detail dalam literatur sebelumnya [49, 50]. Proses pembuatan utama dijadwalkan pada Gambar 1a. Pertama, monolaer bola polistirena (PS) dengan diameter 490 nm direntang sendiri pada wafer Si datar yang telah dibersihkan kimiawi (tipe n, 0,01 Ω cm) untuk membentuk monolaer hexagonal terpadat. Selanjutnya, sampel yang tertutup PS di-etched dengan perekatan ion reaktif (RIE, Trion Technology) (50 W, 70 mTorr) dengan gas O2 (20 sccm) untuk mengurangi diameter PS, yang bertindak sebagai lapisan masker dalam prosedur berikutnya. Kemudian, film Au 20 nm ditambatkan dengan penyemburan ion pada sampel yang ditutupi oleh lapisan PS bertindak sebagai katalis untuk perawatan MACE berikutnya. Sampel dirawat dengan MACE dalam larutan campuran HF (40%) dan H2O2 (30%) (rasio volume 4:1) pada suhu ruangan. Dalam proses MACE, permukaan Si yang tertutup Au di-etched secara efektif sementara yang tertutup PS (tanpa Au) terlindungi, mengarah pada pembentukan Si NWs. Akhirnya, lapisan Au yang tersisa dan bola PS dihapus dengan merendam sampel dalam KI/I2 dan larutan tetrahydrofuran, masing-masing. Dengan metode pembuatan ini, array periodik luas daerah dari array Si NW yang direntangkan vertikal dapat diperoleh.
a Ilustrasi skematis prosedur untuk memproduksi array nanowire silikon yang direntangkan vertikal. b Diagram skematis pengaturan eksperimental untuk pengukuran CAFM dan EFM pada nanowire silikon individu
Karakterisasi Si NWs
Morfologi Si NWs yang difabrikasi diperiksa dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM, SIGMA300) sementara properti strukturalnya diselidiki dengan spektroskopi Raman (Jobin Yvon HR-Evolution 2 sistem) dengan panjang gelombang excitasi 532 nm dan daya rendah sekitar 1 mW.
Properti listrik Si NWs diselidiki dengan CAFM dan EFM dengan peralatan SPM komersial (Multimode V, Bruker Nano Surfaces), seperti yang digambarkan pada Gambar 1b. Ujung Cr/Pt-coated (Multi75E-G, Budget Sensors, radius sekitar 25 nm) digunakan untuk pengukuran CAFM dan EFM. Dalam CAFM, ujung konduktif dipindai di atas permukaan sampel dalam mode kontak dengan tegangan bias DC diterapkan pada substrat sementara ujung di-grounding, dan arus antara ujung dan sampel diukur. Karena oxidasi anoda permukaan serius di bawah bias sampel positif, semua citra arus diukur pada bias sampel negatif. Berbagai tegangan negatif dari −0,5 hingga −3,0 V diuji dalam eksperimen CAFM. Ditemukan bahwa saat tegangan bias diatur di bawah −1,5 V, arus terlalu kecil untuk terdeteksi untuk sampel dengan konduktivitas buruk. Sementara tegangan bias diatur sebagai −2,0 V atau lebih besar, pengukuran tidak stabil, mungkin karena kerusakan ujung dan/atau sampel di bawah medan elektrostatis besar. Oleh karena itu, tegangan bias −1,5 V dipilih untuk pengukuran citra arus. Pengukuran EFM dilakukan pada Si NWs dalam mode dua pass. Dalam pass pertama, bekerja dalam mode tapping untuk mendapatkan citra topografi, sementara dalam pass kedua ujung diangkat cukup tinggi untuk mengabaikan gaya Van der Waals. Dalam pass yang diangkat, tegangan DC ditambahkan antara sampel dan ujung yang di-grounding, dan sinyal pergeseran fase yang diinduksi oleh gaya elektrostatis terdeteksi. Semua eksperimen dioperasikan dalam lingkungan N2 yang mengalir untuk pengukuran listrik yang stabil dan sampel preraendam dalam larutan HF (5%) selama 30 detik untuk mengurangi secara efektiv pengaruh lapisan oksida pada karakterisasi konduktivitas. Karena pengukuran dilakukan segera setelah rendaman HF, lapisan oksida yang terbentuk lagi harus cukup tipis untuk menembus ujung konduktif dan pengaruhnya pada konduktivitas minimal.
Hasil dan Pembahasan
Pabrikasi Si NWs
Pabrikasi array teratur Si nanowire yang direntangkan vertikal luas daerah diilustrasikan pada Gambar 1a. Dengan mengubah waktu RIE, diameter bola PS dapat dikurangi ke nilai yang diinginkan, dan hence Si NWs dengan diameter yang dapat dikontrol dapat dicapai. Citra SEM Si NWs yang diperoleh setelah 90, 120, dan 150 detik etching RIE ditunjukkan pada Gambar 2 a, b, dan c, masing-masing. dapat diamati bahwa Si NWs direntangkan vertikal dalam susunan heksagonal periodik di daerah luas. Si NWs yang direntangkan vertikal ini memiliki periode yang sama sebesar 490 nm dan panjang yang sama sekitar 350 nm (waktu MACE yang sama 40 detik). Diameter Si NWs pada (a), (b), dan (c) masing-masing sekitar 350, 260 dan 190 nm. Ketergantungan diameter NWs pada waktu etching RIE divisualisasikan pada Gambar 2d, menunjukkan korelasi linear yang baik. Di sisi lain, panjang nanowires dapat disesuaikan dengan mengubah waktu MACE dalam larutan campuran HF dan H2O2. Citra SEM lintas Si NWs setelah 40, 60, 80, dan 100 detik MACE ditunjukkan pada Gambar 2e. dapat dilihat bahwa panjang NWs meningkat dari 350 hingga 960 nm dengan meningkatnya waktu MACE. Secara serupa, panjang Si NWs menunjukkan ketergantungan linear yang baik pada waktu MACE, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2f. Hasil ini menunjukkan bahwa Si NWs teratur dengan diameter dan panjang yang dapat dikontrol berhasil difabrikasi dengan metode NSL digabungkan dengan MACE.
Citra SEM top view Si NWs dengan panjang yang sama 350 nm, tetapi diameter yang berbeda a 350 nm; b 260 nm; dan c 190 nm. Ketergantungan diameter NWs pada waktu etching RIE divisualisasikan pada d. e Citra SEM lintas Si NWs dengan diameter yang sama 260 nm, tetapi panjang yang berbeda 350, 600, 800, dan 960 nm. f Menampilkan ketergantungan panjang NWs pada waktu MACE
Dari citra SEM, juga dapat ditemukan bahwa Si NWs memiliki permukaan yang sangat kasar setelah perekatan kimia, dan permukaan sisi mereka terutama kasar. Untuk memeriksa mikrostruktur lapisan permukaan sebagai fungsi dari diameter dan panjang, spektrum Raman diukur pada Si bulk dan Si NWs dengan diameter dan panjang yang berbeda. Setiap spektrum dinormalisasi dengan menggunakan intensitas puncak maksimum pada 520 cm−1, dan hasil untuk diameter yang berbeda dan panjang yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 3 a dan b, masing-masing. Spektrum silicon bulk menunjukkan puncak tajam yang terletak pada ~ 520,1 cm−1. Kedua redshift posisi puncak dan lebar puncak (disebut dengan full-width at half-maximum, FWHM) dapat diamati pada Si NWs, seperti divisualisasikan pada Gambar 3 c dan d, masing-masing. Redshift dan lebar puncak cukup kecil untuk nanowires dengan panjang pendek 350 dan 600 nm dan menjadi cukup jelas saat panjang nanowire meningkat menjadi 800 nm dan di atasnya. Redshift dan lebar puncak Raman ini kadang-kadang disebabkan oleh perubahan tingkat dopant atau kandungan kristal. Menurut literatur sebelumnya [5, 51], untuk Si NWs yang difabrikasi dengan metode MACE yang sama, konsentrasi doping dapat memiliki tingkat doping yang sama dengan wafer awal. Karena keterbatasan peralatan, kami tidak dapat mengonfirmasi hasil ini. Di sisi lain, meskipun Si NWs ini memiliki permukaan kasar, literatur sebelumnya menemukan bahwa Si NWs yang difabrikasi dengan metode MACE terutama dapat mempertahankan struktur kristal mereka baik untuk doping n dan p serta doping ringan dan berat [5, 51, 52]. Hanya lapisan amorf tipis yang diamati pada permukaan dinding NWs. Hasil serupa diperoleh pada Si NWs dengan diameter dan panjang yang berbeda oleh berbagai grup. Sebagai hasilnya, dapat diasumsikan bahwa Si NWs yang difabrikasi dengan metode MACE dapat mempertahankan tingkat dopant dan kandungan kristal mereka hampir tidak berubah seperti sepadan bulk mereka, kecuali lapisan permukaan tipis.
Spektrum Raman tipis dari Si bulk dan Si nanowires dengan a panjang yang sama 350 nm tetapi diameter yang berbeda dan b diameter yang sama 190 nm tetapi panjang yang berbeda. c dan d mewakili redshift posisi puncak dan lebar FWHM sebagai fungsi dari panjang nanowire
Oleh karena itu, redshift dan lebar puncak Raman paling mungkin disebabkan oleh permukaan rusak dan kasar nanowires [53]. Ada beberapa kertas yang melaporkan hasil Raman Si NWs yang difabrikasi dengan metode MACE yang sama. Misalnya, Feser et al. menemukan bahwa lebar puncak yang signifikan pada 520 cm−1 meningkat dengan waktu MACE dan mengaitkan lebar puncak ini dengan gangguan kristal (misalnya, kluster cacat titik) yang diinduksi oleh proses etching [23]. Lajvardi et al. menemukan bahwa redshift Raman meningkat dengan waktu MACE, yaitu puncak TO Raman terletak pada 521,1 cm−1 untuk Si bulk dan bergeser menjadi 518,7 cm−1 untuk sampel yang di-etch selama 80 menit, masing-masing [54]. Mereka menyatakan bahwa asal-usul pergeseran Raman mungkin disebabkan oleh pembentukan kristal Si pada dinding nanowire. Lin et al. mengamati bahwa puncak TO Raman bergeser dari 520 hingga 516 cm−1 saat panjang NWs meningkat dari 0 (Si bulk) hingga 2,73 μm, sementara lebar puncak meluas dari 3 hingga 9 cm−1 dengan meningkatnya panjang NWs dari 0,19 hingga 2,73 μm [55]. Mereka mengira bahwa lebar puncak Raman didominasi oleh interaksi fonon-strain dan pergeseran puncak Raman terbukti sebanding dengan distorsi lattice permukaan yang diinduksi oleh strain. Karena strain yang diinduksi oleh etching HF meningkat dengan panjang NWs (waktu etching lebih lama), baik redshift puncak Raman maupun lebarnya meningkat dengan meningkatnya panjang NWs. Dalam kasus kami, dari spektrum Raman seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 a dan b, kami dapat menemukan bahwa puncak TO Raman bergeser dari 520 hingga 519,4 cm−1 saat panjang NWs meningkat dari 0 (Si bulk) hingga 960 nm, sementara FWHM meluas dari 4,41 hingga 4,47 cm−1 saat panjang NWs meningkat dari 350 hingga 960 nm. Kami lebih suka pergeseran dan lebar puncak Raman bergantung panjang ini berasal dari permukaan yang rusak (strain atau gangguan). Namun, karena variasi yang sangat kecil baik dalam redshift maupun lebar puncak untuk nanowires dengan diameter dan panjang yang berbeda (< 1,0 cm−1), perubahan strain/gangguan dengan ukuran dapat dianggap minimal. Jadi strain/gangguan mungkin memodifikasi konduktansi NWs, tetapi pengaruhnya pada ketergantungan ukuran konduktansi tidak menjadi perhatian dalam bagian berikutnya.
Pengukuran Properti Konduktif pada Si NWs Tunggal
Properti konduktif Si NWs diukur dengan CAFM pada NWs individu dengan diameter dan panjang yang berbeda. Citra topografi tipis dari Si NWs yang direntangkan vertikal dengan panjang yang sama 350 nm tetapi diameter yang berbeda 350, 260, dan 190 nm ditunjukkan pada Gambar 4 a, b dan c, masing-masing, sementara citra arus yang sesuai yang diperoleh pada bias sampel −1,5 V ditampilkan pada (d), (e), dan (f). Harap diperhatikan, karena ujung AFM Cr/Pt-coated adalah cakram dengan sudut besar, Si NWs menunjukkan diameter yang lebih besar dari aktualnya. Selain itu, arus keluar dari nanowire tidak dapat terdeteksi dengan baik karena ujung mungkin tidak dapat bersentuhan dengan substrat, jadi hanya arus yang diukur pada nanowire yang diperhitungkan. Dari citra arus, dapat diamati bahwa sebagian besar tepi Si nanowire menunjukkan konduktivitas sedikit lebih baik dibandingkan pusat. Ini mungkin disebabkan oleh kontak sisi antara ujung AFM dan Si NW dengan luas kontak yang lebih besar. Selainnya, karena kekasaran yang jelas pada permukaan atas, beberapa daerah di area pusat mungkin juga menunjukkan arus besar seperti tepi, menghasilkan distribusi arus berbentuk cincin yang tidak jelas. Di sisi lain, konduktivitas Si NWs jelas berkaitan dengan diameter nanowire. dapat dilihat bahwa baik rasio luas area konduktif nanowire maupun nilai arus absolut meningkat secara signifikan saat diameter menurun dari 350 hingga 190 nm. Hasil menunjukkan bahwa Si NWs dengan diameter yang lebih kecil lebih konduktif dibandingkan yang lebih besar. Untuk mendapatkan ketergantungan diameter secara lebih intuitif, profil arus sepanjang garis yang ditandai pada Gambar 4 d hingga f ditampilkan pada Gambar 4g. Ini secara jelas menunjukkan bahwa Si NWs dengan diameter 190 nm jauh lebih konduktif dibandingkan dengan diameter 260 nm dan 350 nm. Ketergantungan diameter ini juga dapat diperoleh dari histogram statistik distribusi arus pada Si NWs dengan diameter yang berbeda, seperti yang ditunjukkan pada Additional file 1: Figure S1(a), yang menunjukkan distribusi arus bergeser ke nilai yang lebih tinggi saat diameter menurun. Arus rata-rata (Iav) Si NWs dihitung dengan merata-ratakan arus atas semua nanowire dalam citra arus, yang divisualisasikan pada Gambar 4h sebagai fungsi dari diameter NWs. Arus rata-rata Si NWs menunjukkan peningkatan dramatis sembilan kali lipat saat diameter NWs menurun dari 350 hingga 190 nm. Ketergantungan arus serupa pada diameter telah dicapai pada nanowire InAs tunggal serta pada perangkat nanowire Si tunggal [35, 47].
Citra topografi Si NWs dengan panjang yang sama 350 nm tetapi diameter yang berbeda a 350 nm, b 260 nm, c 190 nm. Citra arus yang sesuai yang diperoleh di bawah bias sampel −1,5 V diberikan pada d, e dan f, masing-masing. Profil arus sepanjang garis yang ditandai pada d–f divisualisasikan pada g, dan h menampilkan arus rata-rata (Iav) atas nanowire sebagai fungsi dari diameter NWs. Garis yang sesuai ditambahkan pada citra topografi a–c dan kurva profil pada g diubah secara vertikal untuk panduan
Citra arus tipis Si NWs dengan panjang yang berbeda dan diameter yang sama 190 nm yang diukur pada bias sampel −1,5 V ditampilkan pada Gambar 5. Gambar 5 a hingga d menunjukkan citra arus Si NWs dengan panjang 350, 600, 800, dan 960 nm, masing-masing. dapat dilihat bahwa dalam citra arus ini, area konduktif menurun secara jelas seiring meningkatnya panjang, sementara penurunan arus absolut tidak begitu jelas, terutama untuk NWs dengan panjang 350 nm dan 600 nm. Mungkin karena adanya kekasaran permukaan lokal tidak teratur, arus yang lebih besar bahkan diamati pada beberapa titik pada Gambar 5b. Namun, arus rata-rata Gambar 5b jauh lebih kecil dari Gambar 5a. Menggunakan analisis yang sama di atas, profil arus sepanjang garis yang ditandai ditampilkan pada Gambar 5e, dan histogram statistik ditunjukkan pada Additional file 1: Figure S1(b). Keduanya secara jelas menunjukkan penurunan arus yang signifikan seiring meningkatnya panjang NWs. Arus rata-rata nanowire sebagai fungsi panjang NWs divisualisasikan pada Gambar 5f, dan mereka pada urutan puluhan hingga ratusan pA yang jauh lebih kecil dari yang ditampilkan pada Gambar 5 a hingga e pada urutan nA. Ini karena nanowire hanya menunjukkan arus yang relatif besar pada beberapa titik konduktif sementara sebagian besar wilayah nonkonduktif. Dari Gambar 5f, arus rata-rata menunjukkan penurunan lebih dari tiga kali lipat saat panjang meningkat dari 300 hingga 960 nm, menunjukkan konduktivitas nanowire menurun seiring meningkatnya panjang. Ketergantungan resistansi nanowire pada panjang sebelumnya telah diteliti dengan pengukuran resistansi empat titik pada nanowire semikonduktor, yang menyarankan bahwa di bawah kontak Ohmic, resistansi nanowire meningkat linier dengan panjangnya dengan kemiringan resistivitas [56, 57]. Dalam kasus kami, dari plot I ~ 1/L seperti yang diberikan pada Additional file 1: Figure S2, ketergantungan tersebut sangat nonlinier; oleh karena itu, resistivitas tidak dapat diperoleh dengan benar dari kemiringan kurva. Perlu dicatat dalam pengukuran CAFM, resistansi total yang diukur mencakup resistansi kontak antara ujung Cr/Pt-coated dan Si NW (Rtip/NW), resistansi Si NW (RNW) dan resistansi wafer Si (Rbulk). Karena resistansi yang diukur oleh CAFM terutama berasal dari area permukaan lokal di bawah ujung dan menurun cepat dengan meningkatnya luas di sepanjang jalur arus, Rbulk jauh lebih kecil dibandingkan RNW dan Rtip/NW. Di sisi lain, karena area kontak logam-semikonduktor yang sangat kecil antara ujung dan nanowire, resistansi kontak Rtip/NW jauh lebih besar dibandingkan resistansi nanowire RNW. Nonlinieritas ketergantungan arus pada 1/L hanya menunjukkan kehadiran resistansi kontak yang besar. Oleh karena itu, dalam pengukuran yang dilakukan oleh CAFM, resistansi kontak logam-semikonduktor harus dipertimbangkan dengan penekanan, dalam hal ini dinding Schottky memainkan peran penting.
Citra arus Si NWs di bawah bias sampel −1,5 V dengan diameter yang sama 190 nm tetapi panjang yang berbeda a 350 nm, b 600 nm, c 800 nm, dan d 960 nm, masing-masing. Profil arus sepanjang garis yang ditandai pada a–d divisualisasikan pada e, dan f menampilkan arus rata-rata nanowire (Iav) sebagai fungsi panjang NWs. Kurva profil pada e diubah secara vertikal untuk panduan
Untuk memverifikasi inferensi di atas, kurva arus-tegangan (I–V) direkam pada Si NWs individu untuk menyelidiki dinding Schottky pada kontak ujung logam/nanowire Si. Kurva I–V tipis pada Si NWs dengan panjang yang sama 350 nm tetapi diameter yang berbeda ditampilkan pada Gambar 6a dan yang pada Si NWs dengan diameter yang sama 190 nm tetapi panjang yang berbeda ditampilkan pada Gambar 6b, masing-masing. Semua kurva I–V menunjukkan arus yang lebih besar pada daerah tegangan sampel negatif, sesuai dengan kurva I–V tipis dengan kontak Schottky antara ujung logam dan semikonduktor tipe n. Karena kurva I–V menunjukkan karakteristik logam-semikonduktor yang baik, ini menunjukkan bahwa pengaruh lapisan oksida pada konduktivitas tidak serius dan oleh karena itu diasumsikan minimal dalam diskusi berikutnya. Sementara itu, hasil menunjukkan bahwa nanowire yang lebih kecil dan lebih pendek menunjukkan konduktivitas yang lebih besar dibandingkan yang lebih besar dan lebih panjang, sangat konsisten dengan hasil yang diperoleh dari citra arus. Untuk analisis kuantitatif, model emisi termionik yang dikenal untuk kontak logam-semikonduktor diadopsi [58, 59]. Dalam model ini, karakteristik I–V kontak Schottky ke semikonduktor tipe n dalam kehadiran resistansi seri dapat diaproksimasi sebagai [59]:
Kurva I-V tipis pada Si NWs dengan panjang yang sama 350 nm tetapi diameter yang berbeda (a) dan diameter yang sama 190 nm tetapi panjang yang berbeda (b). Inset pada a menunjukkan hasil pemasangan tipis dari Si NWs dengan diameter 190 nm dan panjang 350 nm. c dan d mewakili ketinggian dinding Schottky yang diperoleh dari hasil pemasangan sebagai fungsi diameter dan panjang NWs, masing-masing
di mana A adalah luas kontak, A* adalah konstanta Richardson, dan φB adalah ketinggian dinding Schottky (SBH) antara ujung logam dan nanowire Si. Dengan demikian, SBH dapat diperoleh dengan rumus:
Kurva I–V pada Gambar 6 a dan b dapat dipasang dengan baik oleh Eq. (1), dan garis pemasangan tipis di daerah forward ditampilkan pada inset Gambar 6a. Untuk mendapatkan nilai SBH dari arus saturasi, konstanta Richardson efektif A* diasumsikan setara dengan silicon bulk, yaitu, 112 A cm−2 K−2 untuk silicon tipe n [59]. Luas kontak diasumsikan 2 × 10−11 cm2 dengan mengambil radius ujung Cr/Pt-coated sebesar 25 nm. Nilai SBH diperoleh sekitar 322, 359 dan 377 meV untuk Si NWs dengan panjang yang sama 350 nm dan diameter yang berbeda 190, 260 dan 350 nm, masing-masing. Untuk Si NWs dengan diameter yang sama 190 nm dan panjang yang berbeda 350, 600, 800 dan 960 nm, nilai SBH adalah 322, 425, 473 dan 495 meV, masing-masing. Untuk perbandingan, kurva I–V tipis diukur pada wafer Si yang sama jenis, seperti yang ditampilkan pada Additional file 1: Figure S3(a). Ini secara jelas menunjukkan bahwa konduktivitas wafer Si jauh lebih kecil dibandingkan NWs yang dihasilkan. Arus yang dapat terdeteksi hanya dapat diukur pada tegangan bias tinggi (−4 ~ −10 V). Setelah memasang kurva I–V dengan model emisi termionik di atas (Additional file 1: Figure S3(b)), nilai SBH sebesar 0,60 eV diperoleh untuk Si bulk. Jelas, semua nilai SBH yang diukur untuk Si NWs dengan diameter dan panjang yang berbeda lebih kecil dibandingkan Si bulk. Penurunan dinding Schottky serupa pada nanowire telah dilaporkan oleh berbagai grup pada berbagai jenis nanowire, yang disebabkan oleh rekombinasi pembawa di daerah depletasi [46, 60], ketidakhomogenan dinding dan efek pemanasan joule [48], atau penurunan potensi citra [47]. Dalam kasus kami, penurunan dinding juga dapat disebabkan oleh kepadatan keadaan permukaan yang besar yang diinduksi penurunan potensi citra dan pengisian pembawa di daerah depletasi.
Ketergantungan nilai SBH pada diameter dan panjang nanowire divisualisasikan pada Gambar 6 c dan d masing-masing, dan dapat ditemukan bahwa SBH meningkat secara jelas seiring meningkatnya baik diameter maupun panjang nanowire. Selain itu, pengukuran yang sama dilakukan pada Si NWs dengan diameter yang berbeda 260 dan 350 nm untuk semua panjang, dan kurva I–V ditampilkan pada Additional file 1: Figure S4 a dan b, masing-masing. Nilai SBH bergantung diameter yang diperoleh dari pemasangan kurva untuk semua panjang tercantum pada Tabel 1 dan divisualisasikan pada Additional file 1: Figure S5. Hasil menunjukkan bahwa nilai SBH meningkat dengan meningkatnya diameter untuk semua panjang, dan juga meningkat dengan meningkatnya panjang untuk semua diameter. Oleh karena itu, hasil yang diperoleh dari analisis kurva I–V menyarankan bahwa penurunan dinding Schottky lebih signifikan untuk nanowire dengan diameter yang lebih kecil dan panjang yang lebih pendek. Di sisi lain, faktor ideal n dan resistansi seri Rs dari Si NWs dengan diameter dan panjang yang berbeda juga dapat diperoleh dari hasil pemasangan, seperti tercantum pada Tabel 1. Hasil menunjukkan bahwa n jauh lebih besar dari 1 untuk semua nanowire (2,8 ~ 9,4), menunjukkan bahwa kontak antara ujung dan nanowire bukan kontak logam-semikonduktor ideal, mungkin karena kehadiran lapisan oksida. Di sisi lain, Rs meningkat dengan meningkatnya diameter serta meningkatnya panjang. Misalnya, RS meningkat dari 6,1 hingga 21,6 MΩ saat diameter meningkat dari 190 hingga 350 nm untuk panjang yang sama 350 nm dan meningkat dari 6,1 hingga 32,3 MΩ untuk panjang dari 350 hingga 960 nm dengan diameter yang sama 190 nm. Peningkatan Rs dengan meningkatnya panjang masuk akal, sementara peningkatan dengan meningkatnya diameter di luar dugaan. Tidak ada penjelasan yang baik untuk ini saat ini, yang mungkin karena resistansi seri bukan sekadar resistansi nanowire dan luas kontak efektif ujung-nanowire tidak sama persis dengan luas penampang nanowire. Namun, resistansi seri Si NWs memang jauh lebih kecil dibandingkan resistansi kontak, oleh karena itu konduktivitas Si NWs harus didominasi oleh resistansi kontak yang ditentukan oleh SBH.
Asal-usul ketergantungan ukuran SBH belum terlalu jelas. Penjelasan mekanisme untuk ketergantungan diameter serupa SBH telah diusulkan dalam beberapa literatur [45,46,47,48, 60]. Misalnya, Leonard et al. menginterpretasi efek ini dengan titik rekombinasi lubang-elektron di daerah depletasi [60]. Saat waktu rekombinasi menurun seiring berkurangnya diameter nanowire, kepadatan arus meningkat seiring berkurangnya diameter nanowire. Yoon et al. menjelaskan SBH bergantung diameter dengan kehadiran keadaan antarmuka [47]. Mao et al. mengaitkan asalnya dengan ketidakhomogenan dinding dan efek pemanasan joule [48]. Dalam kasus kami, Si NWs dibuat dengan metode MACE, jadi pasti ada sejumlah cacat pada permukaan dan lapisan oksida tipis yang terbentuk lagi, menghasilkan kepadatan keadaan permukaan yang besar. Sebenarnya, dari citra SEM yang diperbesar dan pengamatan AFM, permukaan atas Si NWs sangat kasar, yang lebih meningkatkan kepadatan keadaan permukaan. Kami mengira kehadiran keadaan permukaan (atau antarmuka) harus menjadi penyebab utama dari ketergantungan diameter SBH. Menurut literatur sebelumnya [47, 61, 62], penurunan SBH diinterpretasikan oleh keadaan antarmuka terisi. Dengan mengadopsi model kapasitor silinder koaksial yang digunakan dalam referensi [47], transfer pembawa yang diinduksi oleh keadaan antarmuka akan membentuk dua lapisan berkebalikan (logam dan permukaan kontak semikonduktor) yang menghasilkan medan listrik yang berlawanan dengan medan bawaan dan menurunkan potensi dinding. Saat kepadatan keadaan permukaan meningkat seiring berkurangnya diameter nanowire, SBH yang lebih kecil diperoleh pada nanowire dengan diameter yang lebih kecil. Mengapa nilai SBH terkait dengan panjang nanowire belum jelas. Seiring meningkatnya waktu MACE, gangguan atau kekasaran permukaan meningkat secara sebanding. Perubahan yang berbeda dalam mikrostruktur permukaan mungkin memperkenalkan perubahan yang berbeda pada nilai SBH, yang memerlukan penyelidikan lebih lanjut untuk dipecahkan. Bagaimanapun, apa pun asal-usul ketergantungan ukuran properti konduktif, penurunan SBH bergantung ukuran dapat menghasilkan konduktivitas yang lebih tinggi, yang harus bermanfaat untuk aplikasi praktis.
Pengukuran EFM pada Si NWs Tunggal
Untuk memverifikasi lebih lanjut hasil SBH bergantung ukuran Si NWs yang diperoleh oleh CAFM, pengukuran EFM dilakukan pada sampel yang sama dan pergeseran fase EFM diukur sebagai fungsi dari bias DC yang diterapkan. Dalam literatur sebelumnya [63, 64], hubungan antara pergeseran fase dan gaya elektrostatis telah ditetapkan, di mana sistem ujung-sampel diperlakukan secara kasar sebagai kapasitor datar. Saat bias diterapkan antara ujung dan sampel, gradien gaya elektrostatis kapasitif akan menyebabkan pergeseran fase. Pada ketinggian yang diangkat di mana gaya Van der Waals dapat diabaikan, gaya elektrostatis yang bekerja pada ujung dapat dinyatakan sebagai [63]:
di mana C, VEFM, dan VCPD adalah kapasitansi, tegangan DC yang diterapkan, dan perbedaan potensi kontak (CPD) antara sampel dan ujung, masing-masing. VCPD dapat ditulis sebagai (φsample − φtip)/e saat tegangan bias VEFM diterapkan pada sampel dalam eksperimen kami. Pergeseran fase yang terdeteksi oleh EFM sebanding dengan gradien gaya elektrostatis, yang dapat ditulis sebagai:
di mana Q adalah faktor kualitas, k adalah konstanta pegas sond dan z adalah jarak antara ujung dan puncak Si NW.
Dari Eq. (5), dapat dilihat bahwa pergeseran fase EFM harus sama dengan nol pada VEFM = VCPD. Oleh karena itu, VCPD dapat diperoleh dari pengukuran EFM. Kurva ΔΦ~VEFM yang diukur pada ketinggian lift 100 nm pada Si NWs individu dengan diameter dan panjang yang berbeda ditampilkan pada Gambar 7 a dan b sebagai titik terpencil, masing-masing. Dengan menggunakan Eq. (5), kurva ΔΦ~VEFM dapat dipasang dengan baik, ditampilkan sebagai garis padat pada Gambar 7 a dan b. Dari parameter pemasangan, nilai VCPD dapat diperoleh, seperti ditampilkan pada Gambar 7 c dan d sebagai fungsi diameter dan panjang masing-masing. Hasil menunjukkan bahwa nilai CPD meningkat dengan meningkatnya diameter dan meningkatnya panjang. Hasil CPD serupa telah dilaporkan dalam pekerjaan sebelumnya yang dilakukan dengan mikroskopi gaya probe Kelvin pada ZnO NWs, di mana nilai absolut CPD antara nanowire ZnO dan ujung Pt/Ir juga meningkat dengan meningkatnya diameter [65]. Seperti yang digambarkan pada Additional file 1: Figure S6, nilai SBH secara kasar sama dengan qVCPD ditambah En (= EC − EF). Karena En adalah konstanta untuk semua Si NWs yang dibuat dari bahan yang sama, ketergantungan ukuran VCPD dengan baik mewakili ketergantungan ukuran SBH. Oleh karena itu, dari hasil EFM, dapat disarankan bahwa nilai SBH meningkat seiring meningkatnya diameter dan panjang NWs, sangat konsisten dengan hasil yang dicapai oleh pengukuran CAFM. Secara serupa, pengukuran EFM dilakukan pada semua seri Si NWs, dan nilai VCPD bergantung diameter pada panjang yang berbeda ditampilkan pada Additional file 1: Figure S7(a) dan (b) masing-masing, yang menunjukkan ketergantungan diameter yang sama dengan yang diperoleh oleh CAFM.
∆Φ ~ V yang diukur oleh EFM pada Si NWs individu dengan a diameter yang berbeda 190, 260, dan 350 nm (panjang = 350 nm) dan b panjang yang berbeda 350, 600, 800, dan 960 nm (diameter = 190 nm). c dan d menampilkan nilai VCPD yang diperoleh oleh pemasangan kurva sebagai fungsi diameter dan panjang NWs. Kurva pada a dan b diubah secara vertikal untuk panduan
Kesimpulan
Secara singkat, dengan metode sederhana, berbiaya rendah tanpa melibatkan prosedur yang rumit, array Si NW dengan diameter dan panjang yang dapat dikontrol disiapkan. Baik diameter maupun panjang SiNWs dapat dikontrol dengan baik dengan menyesuaikan waktu perekatan. Properti konduktif termasuk peta arus dan kurva I–V diukur secara langsung pada Si NWs individu tanpa prosedur fabrikasi nano yang kompleks melalui cara CAFM. Konduktivitas bergantung ukuran Si NWs dapat diperoleh baik dari citra arus maupun kurva I–V. Hasil kami menunjukkan bahwa Si NWs dengan diameter yang lebih kecil dan panjang yang lebih pendek menunjukkan konduktivitas yang lebih baik. Ini dapat dikaitkan dengan ketergantungan ukuran SBH, yang meningkat dari 322 hingga 377 meV dengan meningkatnya diameter dari 190 hingga 350 nm untuk panjang yang sama 350 nm. Secara sebanding, nilai SBH meningkat dari 322 hingga 495 meV saat panjang bervariasi dari 350 hingga 960 nm untuk diameter yang sama 190 nm. SBH bergantung ukuran yang sama juga dapat diperoleh dari pengukuran EFM. Penurunan SBH ini diinterpretasikan oleh keadaan antarmuka terisi. Oleh karena itu, penelitian kami tidak hanya mengungkap properti bergantung ukuran Si NWs tetapi juga menyarankan bahwa CAFM dapat berfungsi sebagai sarana efektif untuk menjelajahi ketergantungan ukuran (atau parameter lain) dari properti konduktif pada struktur nano individu.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang digunakan untuk mendukung kesimpulan disertakan dalam artikel dan berkas pendukung.
