Formasi Berkecepatan Tinggi dan Terkendali Arah dari Silicon Nanowire Arrays Dibantu oleh Medan Listrik

Hasil dan Diskusi

Perbandingan MaCE tipikal dan MaCE berbantuan bias yang digunakan pada substrat Si bermuatan Ag disajikan pada Gambar. 1a. Dapat ditemukan bahwa H₂ O₂ oksidan memberikan lubang yang menyebar ke arah Si dibantu oleh katalis Ag yang ada. Injeksi lubang, bagaimanapun, tidak selalu diteruskan dalam orientasi searah, yang malah menyebar karena fakta bahwa aspek AgNP yang tidak rata dalam kontak dengan Si, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a. Fitur-fitur ini secara eksplisit menyebabkan hilangnya lubang yang tidak mampu berkontribusi pada pembubaran terarah Si untuk pembentukan NW tetapi malah didistribusikan dan mungkin dengan mudah mengarah pada pembentukan struktur berpori. Sebaliknya, penggunaan bias maju (+ 10 V) dalam pengaturan vertikal sehubungan dengan bidang substrat dapat secara dramatis mengubah kinetika etsa. Desain berkorelasi dari MaCE yang diterapkan di lapangan disajikan secara skematis dalam File tambahan 1:Gambar S1. Faktanya, potensi polarisasi yang terlibat memaksakan semua lubang yang menyebar di sepanjang orientasi bidang yang diterapkan yang menanggapi tingkat etsa yang ditingkatkan (260 nm / mnt) (Gbr. 1c) dibandingkan dengan proses MaCE khas (220 nm / mnt) (Gbr. 1b). Oleh karena itu, variasi bias positif yang diterapkan dalam proses MaCE dapat mengakibatkan perubahan tingkat etsa, seperti yang ditunjukkan dalam File tambahan 1:Gambar S2, yang dengan jelas membuktikan pembetulan lubang MaCE karena bias positif terlibat.

a Ilustrasi skematis yang menyajikan MaCE tipikal (gambar di atas) dan MaCE yang dibantu bias (gambar di bawah). Gambar SEM penampang SiNW dibuat oleh b khas MaCE dan c MaCE dengan bantuan bias (+ 10 V)

Efek bantuan lapangan seperti itu, di sisi lain, juga valid saat proses MaCE menjadi sasaran bias negatif. Gambar 2a menunjukkan pembetulan yang berlawanan dari difusi lubang sehubungan dengan jalur injeksi lubang, yang menghambat pembubaran efektif Si dengan membatasi lubang di dalam elektroda mikroskopis Ag dan meningkatkan laju etsa yang berkurang (180 nm/menit). Selain itu, kisaran keseluruhan bias yang diterapkan pada laju etsa reaksi MaCE ditunjukkan pada Gambar. 2b. Ini menunjukkan transisi kinetika etsa sehubungan dengan polarisasi bias yang terlibat. Bias negatif jelas menyebabkan penurunan tingkat etsa, sedangkan bias positif pada + 10 V memfasilitasi etsa efektif Si secara terarah melalui efek perbaikan lubang dan mencerminkan peningkatan bertahap tingkat etsa. Dengan bias yang lebih besar, selain rektifikasi lubang, berpotensi memperkenalkan lubang yang baru dihasilkan yang melibatkan etsa terarah Si, yang berkorelasi dengan efek anodisasi [21, 22]. Efek seperti itu sebagian besar mengendalikan kinetika etsa, sehingga secara dramatis meningkatkan tingkat etsa lebih dari empat kali besarnya daripada MaCE bebas bias yang khas. Oleh karena itu, kami dapat menyimpulkan bahwa efek gabungan dari pembetulan lubang dan anodisasi terjadi pada Si yang dapat memodulasi kinetika etsa dan perilaku yang berkorelasi.

a Gambar SEM penampang SiNW diperoleh dari MaCE berbantuan bias dengan medan listrik terapan − 10 V. b Hubungan tegangan yang diterapkan dan tingkat etsa yang sesuai untuk pembentukan SiNWs

Untuk mengungkap lebih lanjut kinetika termodulasi bias dalam reaksi MaCE, solusi kental yang sebanding digunakan. Hal ini dilakukan dengan mencampur bupati etsa dalam 90% pelarut IPA. Hubungan antara koefisien difusi dan viskositas dapat dinyatakan sebagai berikut [23],

di mana D adalah koefisien difusi, A adalah konstanta empiris, T suhu, adalah viskositas pelarut, dan p adalah eksponen viskositas. Dengan demikian, viskositas pelarut IPA adalah 2,1 mPa s pada 25 ^° C, yang lebih dari 2,3 kali lebih besar dari air (viskositas =0,9 mPa s). Oleh karena itu, kita dapat mengharapkan difusi ion dari kedua H₂ O₂ dan ion F− dalam media IPA jauh lebih rendah dibandingkan dengan kondisi air. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3a, struktur berpori tipis dengan ketebalan 170,3 nm dibuat di bawah etsa 5 menit ketika tidak ada bias yang digunakan. Ini disumbangkan oleh fakta bahwa pelarut IPA yang terlibat memiliki viskositas besar yang dimaksudkan untuk menyebarkan lubang dalam orientasi acak, dan dengan demikian fitur berpori daripada struktur satu dimensi terbentuk. Untuk memfasilitasi akumulasi muatan untuk memulai etsa vertikal Si, berbagai bias positif diperkenalkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b-d. Perlu dicatat bahwa pada bias yang terlibat rendah termasuk + 20 V dan + 30 V, ketebalan film struktur berpori jelas meningkat, yang mengarah ke tingkat etsa yang ditingkatkan dari 34,0 nm/menit (0 V), 62,2 nm/menit (+ 20 V) menuju 92,1 nm/mnt (+ 30 V).

Gambar SEM penampang struktur nano Si diperoleh dari a MacE tanpa bias, b MaCE dengan + 20 V, c MaCE dengan + 30 V, dan d MaCE dengan + 40 V. e Ilustrasi skema pembentukan struktur nano dalam berbagai kondisi bias

Hasil ini memvalidasi efek bias yang pada dasarnya mendominasi kinetika etsa, di mana sebagian besar lubang yang terpisah diasumsikan dikumpulkan dan terakumulasi tepat di bawah situs katalis Ag, sehingga memulai morfologi etsa yang lebih dalam. Ketika bias yang diterapkan ditingkatkan menjadi + 40 V, rektifikasi lubang yang dimediasi medan ternyata membanjiri pengaruh pada difusivitas terbelakang dari ion reaktif, oleh karena itu dinamika etsa acak dan terdistribusi dipindahkan ke perilaku etsa terarah; susunan SiNW yang disejajarkan secara vertikal diwujudkan, menunjukkan tingkat penggoresan tertinggi hingga 137,8 nm/menit di antara empat kondisi testis ini, seperti yang disajikan pada Gambar. 3d. Mekanisme pembentukan yang berbeda sehubungan dengan bias yang diterapkan dapat dipahami dari Gambar. 3e. Ini menunjukkan bahwa jalur difusi isotropik lubang menyebabkan pembentukan film berpori tipis ketika tidak ada bias yang diperkenalkan. Sebaliknya, transportasi lubang yang relatif anisotropik ditemukan di bawah keterlibatan bias sederhana, di mana pori-pori yang dihasilkan akhirnya bergerak sepanjang orientasi bias dan membentuk fitur beberapa pori. Pada kondisi bias tinggi, lubang yang diinjeksi dipaksa untuk terakumulasi pada antarmuka katalis/Si dan secara sinergis bergerak ke dalam Si mengikuti medan polarisasi, sehingga menciptakan profil yang tergores secara vertikal.

Selain itu, keterbasahan permukaan tekstur Si yang disiapkan diperiksa, di mana semua sampel diukur enam kali pada posisi yang berbeda, seperti yang disajikan pada Gambar 4. Telah dilaporkan bahwa sudut kontak yang diukur berkorelasi dengan kekasaran struktur nano menurut ke persamaan yang ditunjukkan di bawah ini [24, 25],

di mana θ dan θ _e adalah sudut kontak permukaan Si kasar dan datar, dan R mewakili faktor kekasaran. Selain itu, f adalah fraksi luas permukaan udara/air. Dapat ditemukan bahwa sudut kontak rata-rata dari empat sampel yang berbeda adalah 109,8 ⁰ ± 10.8 ⁰ dalam kasus etsa tanpa bias, 108.4 ⁰ ± 9,2 ⁰ dengan bias + 20 V, 105.4 ⁰ ± 7,6 ⁰ dengan bias + 30 V dan 103,6 ⁰ ± 1,6 ⁰ dengan bias + 40 V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Penyimpangan yang sangat berkurang pada sudut kontak terukur dari penggunaan + 40 V dapat dikaitkan dengan topografi yang relatif seragam pada permukaan yang tergores, yang menunjukkan bahwa pemanfaatan bias dalam MaCE tidak hanya memungkinkan untuk meningkatkan tingkat etsa, tetapi dapat lebih mempertahankan keseragaman etsa suara yang penting untuk aplikasi praktis.

Hasil pengukuran sudut kontak dari permukaan Si

Selain modulasi tingkat etsa, orientasi etsa juga dapat dimanipulasi dengan bias eksternal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a. Dalam pengujian ini, kombinasi MaCE dengan litografi nanosfer dilakukan untuk menentukan pola Ag melalui nanosfer polistiren yang dirakit sendiri [26]. Dengan menerapkan bias vertikal relatif terhadap bidang substrat selama proses MaCE, etsa terarah sepanjang orientasi bias dibuat, di mana susunan SiNW yang diatur secara vertikal dibentuk, seperti yang disajikan pada Gambar 5b. Pengalihan arah etsa dari fitur vertikal ke profil miring diwujudkan dengan memvariasikan polarisasi listrik pada 60 ^° sehubungan dengan arah dalam pesawat. Sementara bias dimodulasi, secara keseluruhan menghasilkan pembentukan array SiNW miring/vertikal dua segmen, seperti yang disajikan pada Gambar. 5c.

a Ilustrasi skema aliran proses untuk pembentukan susunan SiNW miring/vertikal. Gambar SEM penampang b SiNW vertikal dan c SiNW miring/vertikal

Berbeda dengan cara khas untuk memvariasikan orientasi NW melalui perubahan konsentrasi etsa lokal yang dikendalikan difusi dalam kondisi etsa [27, 28], di sini konsentrasi oksidan dan etsa tetap konsisten dan dengan demikian, variasi arah etsa terutama dikontribusikan. dari bias eksternal. Ini mungkin menimbulkan kelayakan untuk realisasi kemampuan pemrosesan tiga dimensi. Akhirnya, reflektansi yang terlihat diperiksa dari array SiNW berbasis vertikal dan dua segmen, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Hasil refleksi yang diukur dengan jelas memverifikasi bahwa array SiNW miring / vertikal dengan reflektansi rata-rata 2,8% memiliki cahaya yang sebanding. kemampuan refleksi daripada array SiNW vertikal tunggal (reflektansi rata-rata =5,4%) yang menutupi pita yang terlihat. Untuk mengkonfirmasi lebih lanjut penyelidikan eksperimental, hasil refleksi simulasi juga dibandingkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Dapat ditemukan bahwa temuan simulasi sesuai dengan hasil yang diukur, menunjukkan karakteristik antirefleksi superior dari struktur nano miring/vertikal.

Hasil refleksi terukur dan simulasi dari array SiNW vertikal dan miring/vertikal, masing-masing