Sifat Fotolistrik yang Diselidiki pada Kawat Nano Si Individu dan Ketergantungan Ukurannya
Abstrak
Array yang dipesan secara berkala dari kawat nano Si (Si NWs) yang disejajarkan secara vertikal berhasil dibuat dengan diameter dan panjang yang dapat dikontrol. Sifat fotokonduktif mereka diselidiki oleh mikroskop kekuatan atom fotokonduktif (PCAFM) pada kawat nano individu. Hasil penelitian menunjukkan bahwa arus foto Si NWs meningkat secara signifikan dengan intensitas laser, menunjukkan bahwa Si NWs memiliki kemampuan fotokonduktansi dan respons foto yang baik. Konduktansi yang ditingkatkan foto ini dapat dikaitkan dengan perubahan penghalang Schottky yang diinduksi foto, dikonfirmasi oleh analisis kurva I-V. Di sisi lain, hasil mikroskopi gaya elektrostatik (EFM) menunjukkan bahwa sejumlah besar muatan fotogenerasi terperangkap dalam Si NWs di bawah iradiasi laser, yang mengarah pada penurunan ketinggian penghalang. Selain itu, ketergantungan ukuran sifat fotokonduktif dipelajari pada Si NWs dengan diameter dan panjang yang berbeda. Ditemukan bahwa peningkatan besarnya arus foto dengan intensitas laser sangat relevan dengan diameter dan panjang kawat nano. Si NW dengan diameter yang lebih kecil dan panjang yang lebih pendek menampilkan sifat fotokonduktif yang lebih baik, yang sesuai dengan variasi ketinggian penghalang yang bergantung pada ukuran yang disebabkan oleh muatan yang dihasilkan foto. Dengan diameter dan panjang yang dioptimalkan, sifat fotolistrik yang hebat dicapai pada Si NWs. Secara keseluruhan, dalam penelitian ini sifat fotolistrik dari masing-masing Si NW secara sistematis diselidiki oleh PCAFM dan EFM, memberikan informasi penting untuk optimasi struktur nano untuk aplikasi praktis.
Pengantar
Kawat nano silikon (Si NWs) telah menarik perhatian besar dalam beberapa tahun terakhir karena sifatnya yang unik dan kompatibilitasnya dengan teknologi silikon tradisional. Si NWs telah didemonstrasikan untuk berbagai aplikasi, seperti sirkuit logika terintegrasi, sel surya, perangkat termoelektrik, dan biosensor [1,2,3,4,5]. Khususnya, ketika diatur dengan cara yang sangat teratur, Si NWs dapat sangat meningkatkan penyerapan cahaya dan pengumpulan muatan, sehingga memungkinkan untuk mencapai efisiensi tinggi baik pada sel surya maupun fotodetektor [6,7,8]. Dalam dekade terakhir, pertumbuhan terkendali dari susunan kawat nano yang dipesan seperti itu serta fabrikasi optimal perangkat fotovoltaik (PV) telah diselidiki secara intensif [9,10,11]. Sebaliknya, ada jauh lebih sedikit studi mendasar tentang karakteristik fotolistrik pada susunan Si NW tersebut, terutama pada kawat nano individu di dalam susunan.
Untuk mewujudkan aplikasi susunan kawat nano yang dipesan dalam sel surya dan perangkat PV, sangat penting untuk mendapatkan pemahaman yang baik tentang sifat fotokonduktifnya. Saat ini, sifat fotokonduktif dari susunan kawat nano umumnya diselidiki dengan metode makroskopik dengan pengendapan elektroda dua sisi di bawah iradiasi cahaya [12, 13]. Namun, untuk analisis yang lebih akurat, perlu untuk mencapai properti pada kawat nano tunggal atau individu daripada hasil rata-rata. Selain studi yang menerapkan perangkat kawat nano tunggal yang tidak mudah dibuat, pengukuran listrik berbasis scanning probe microscopy (SPM) telah mengungkapkan dirinya sebagai teknik yang kuat untuk karakterisasi listrik pada skala nano [14, 15]. Di antara teknik SPM, mikroskop gaya atom konduktif (CAFM) telah paling sering diterapkan untuk mempelajari sifat konduktif dari struktur nano individu seperti film, heterostruktur serta kawat nano [16,17,18,19,20]. Dengan menggabungkan dengan iradiasi laser, dapat dimodifikasi sebagai mikroskop gaya atom fotokonduktif (PCAFM) yang menyediakan rute untuk menyelidiki sifat fotokonduktif pada struktur nano individu [21, 22]. Dalam beberapa tahun terakhir, PCAFM telah digunakan untuk pengukuran arus foto pada sel surya organik [23,24,25,26] dan anorganik [27,28,29], serta pada beberapa struktur nano, termasuk film tipis Si mikrokristalin, heterostruktur CdS. , MoS2 film dan ZnO NWs [30,31,32,33]. Namun, sebagian besar penelitian ini berfokus pada pengaruh penyinaran laser dengan intensitas daya atau panjang gelombang yang bervariasi, sementara beberapa penelitian berfokus pada pengaruh ukuran kawat nano.
Di sisi lain, untuk mencapai susunan Si NW dengan sifat fotokonduktif yang sangat baik, sangat perlu untuk mendapatkan ketergantungan ukurannya untuk optimasi diameter dan panjang kawat nano. Oleh karena itu dalam beberapa dekade terakhir, banyak upaya telah dikhususkan untuk mengungkapkan ketergantungan ukuran sifat fotokonduktif dengan menggunakan metode makroskopik atau perangkat nanowire tunggal [34, 35]. Dalam aspek ketergantungan panjang, banyak penelitian menemukan bahwa arus foto meningkat dengan bertambahnya panjang kawat nano di bawah nilai spesifik bervariasi dari 1 hingga 18 m dan kemudian menurun seiring bertambahnya panjang [12, 36, 37], sementara penelitian lain melaporkan bahwa fotokonduktansi meningkat secara sublinier dengan penurunan panjang [38]. Sementara itu, hasil ketergantungan diameter masih jauh tidak konsisten. Misalnya, karya Kim et al. menemukan bahwa fotokonduktansi dari kawat nano Ge intrinsik meningkat dengan penurunan diameter [35], sementara karya lain pada kawat nano GaN menemukan arus foto meningkat seiring dengan peningkatan diameter [39]. Oleh karena itu, ketergantungan ukuran sifat fotokonduktif pada kawat nano masih jauh dari pemahaman yang baik dan umum.
Dalam makalah ini, susunan berurutan Si NWs yang disejajarkan secara vertikal dengan diameter dan panjang yang dapat dikontrol berhasil dibuat dengan metode litografi nanosfer (NSL) yang dikombinasikan dengan etsa kimia berbantuan logam (MACE), seperti yang dilaporkan dalam penelitian sebelumnya [1, 40]. Sifat fotokonduktif mereka diselidiki oleh PCAFM tanpa nanofabrication lebih lanjut. Hasil kami menunjukkan bahwa arus foto yang diukur pada Si NWs individu meningkat pesat dengan intensitas laser, dan peningkatan besarnya jelas terkait dengan ukuran kawat nano. Si NWs dengan diameter lebih kecil dan panjang lebih pendek lebih fotokonduktif. Di sisi lain, pengukuran yang dilakukan oleh mikroskop gaya elektrostatik (EFM) yang dikombinasikan dengan iradiasi laser memberikan informasi tentang muatan yang dihasilkan foto dan modifikasi ketinggian penghalang, yang dapat digunakan untuk menjelaskan konduktansi yang ditingkatkan dengan foto yang bergantung pada ukuran Si NWs. Oleh karena itu, penelitian ini tidak hanya mengungkapkan sifat fotolistrik yang bergantung pada ukuran Si NWs tetapi juga menunjukkan bahwa PCAFM dan EFM adalah alat yang efektif dalam menyelidiki sifat fotolistrik dari struktur nano individu serta untuk mengeksplorasi ketergantungan ukuran (atau parameter lain).
Bahan dan Metode
Materi
Wafer Si dibeli dari MTI (China). Air deionisasi (DI, 18,2 MΩ cm) diperoleh dari sistem ultrafiltrasi (Milli-Q, Millipore, Marlborough, MA). Aseton, metanol, asam sulfat, hidrogen peroksida, dan asam fluorida dibeli dari Reagen Kimia Sinopharm (Cina). Suspensi (2,5 wt% dalam air) bola polistiren (PS, diameter 490 nm) dibeli dari Duke Scientific (AS).
Fabrikasi dan Karakterisasi Si NWs
Susunan kawat nano silikon yang dipesan secara vertikal dibuat oleh NSL dan MACE, seperti yang dilaporkan dalam penelitian sebelumnya [1, 40]. Proses fabrikasi utama secara sederhana dijelaskan sebagai berikut. Pertama, bola polistiren (PS) dirakit sendiri ke wafer Si yang dibersihkan secara kimia (tipe-n, 0,01–0,02 Ω cm). Selanjutnya, diameter bola PS dikurangi dengan etsa ion reaktif (RIE, Teknologi Trion) (50 W, 70 mTorr) ke nilai yang diinginkan, dan monolayer PS yang diperkecil diameternya bertindak sebagai topeng dalam prosedur berikut. Setelah deposisi film Au 20 nm dengan sputtering ion yang bertindak sebagai katalis untuk perlakuan MACE berikut, sampel dicelupkan ke dalam larutan campuran HF (40%) dan H2 O2 (30%) dengan rasio volume 4:1 untuk proses MACE dan Si NWs yang disejajarkan secara vertikal diproduksi oleh prosedur ini. Terakhir, lapisan Au dan bola PS yang tersisa dihilangkan dengan merendam sampel dalam KI/I2 larutan campuran dan larutan tetrahidrofuran. Morfologi setelah setiap langkah diperiksa dengan pemindaian mikroskop elektron (SEM, SIGMA300). Gambar SEM khas dari monolayer PS rakitan asli, monolayer PS yang dikurangi diameternya, dan Si NWs yang dibuat setelah melepas lapisan Au dan bola PS masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 1a–c. Dapat dilihat bahwa susunan terurut dari Si NW yang disejajarkan secara vertikal dicapai dalam skala besar. Selain itu, dengan menyesuaikan waktu RIE dan MACE, diameter dan panjang kawat nano dapat dikontrol dengan baik [40].
a –c Gambar SEM dari prosedur utama untuk membuat susunan Si NW yang sejajar secara vertikal:a Monolayer PS rakitan sendiri, b PS monolayer yang diperkecil diameternya dan c membuat array Si NWs. d Spektrum EDX diukur pada Si NWs. e Diagram skema PCAFM dan EFM di bawah iradiasi laser
Selain itu, komposisi kawat nano tersebut diukur dengan menggunakan spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDX, OXFORD, Aztec X-Max 80). Spektrum EDX khas yang diukur pada kawat nano Si setelah pencelupan HF ditampilkan pada Gambar. 1d. Hasil menunjukkan bahwa kawat nano didominasi oleh silikon (~ 95.6%) kecuali jejak oksigen (4.4%). Untuk konfirmasi, pengukuran EDX diulang berkali-kali pada area sampel yang berbeda, dan hasil pengukuran sesuai, dengan konsentrasi oksigen bervariasi dari 0 hingga 7,2%. Oleh karena itu, secara kasar dapat dianggap bahwa Si NW yang dibuat adalah murni dan bebas dari pengotor lainnya, kecuali sedikit oksidasi pada permukaan. Hasil kami setuju dengan yang dilaporkan dalam penelitian sebelumnya oleh HRTEM atau EDX [41, 42], di mana ditemukan bahwa Si NWs yang dibuat dengan metode MACE yang sama terutama dapat mempertahankan struktur kristalnya dan hanya lapisan amorf tipis yang diamati pada permukaan dinding NWs [43, 44]. SiO tipis2 lapisan ditemukan terbentuk pada permukaan kawat nano berpori, tanpa kotoran lain yang terdeteksi di permukaan [41].
Pengukuran fotolistrik pada Si NWs individu dilakukan dengan peralatan SPM komersial (Multimode V, Bruker Nano Surfaces), seperti yang digambarkan pada Gambar 1e. Di PCAFM, ujung konduktif dipindai di atas permukaan sampel dalam mode kontak dengan tegangan bias yang diterapkan antara substrat dan ujung yang diarde secara elektrik, dan arus yang dihasilkan diukur. Iradiasi laser dimasukkan ke dalam kepala SPM melalui serat 400 m. Laser dioda 405 nm dengan intensitas yang dapat disesuaikan (Laser DPSS, MDL-III) difokuskan ke substrat, dan area titik laser sekitar 1 mm
2
di bawah ujung berlapis Pt/Cr. Untuk mendapatkan pengukuran arus yang stabil pada setiap intensitas laser, kami akan menunggu beberapa menit sebelum pengukuran untuk mengurangi status tidak stabil yang disebabkan oleh perubahan intensitas laser sebanyak mungkin. Di sisi lain, dibutuhkan lebih dari sepuluh menit untuk menyelesaikan setiap pengukuran gambar saat ini. Karena kami ingin menyelesaikan pengukuran saat ini di bawah intensitas laser yang berbeda sebelum kawat nano dioksidasi secara serius, intensitas laser dengan interval yang relatif besar (2 W/cm
2
) bervariasi dari 0 hingga 8 L/cm
2
dipilih. Gambar arus fotokonduktif serta kurva I–V diukur pada kawat nano individu di bawah iradiasi laser yang berbeda. Dengan menggunakan EFM, baik topografi sampel dan pergeseran fasa yang diinduksi gaya listrik dapat direkam dengan mode dua lintasan. Pada lintasan pertama, citra topografi diperoleh dalam mode sadap. Pada lintasan pengangkatan kedua (ujung diangkat cukup tinggi untuk mengabaikan pergeseran fasa yang disebabkan oleh gaya van der Waals), bias DC diterapkan antara ujung dan sampel dan sinyal pergeseran fasa yang ditentukan oleh gradien gaya listrik terdeteksi. Prinsip-prinsip operasi rinci dapat ditemukan dalam studi sebelumnya [45, 46]. Ujung berlapis Pt/Cr (Multi75E-G, Sensor Anggaran, radius sekitar 25 nm) diterapkan di semua pengukuran listrik dan semua eksperimen dilakukan dalam aliran N2 Sekelilingnya. Setiap sampel dicelupkan sebelumnya ke dalam larutan HF (5%) selama 30 detik untuk menghilangkan lapisan oksida pada permukaan sampel, kemudian sampel dicuci dalam air deionisasi yang mengalir selama minimal 5 menit sehingga tidak ada HF yang tertinggal di permukaan sampel. permukaan, kecuali permukaan Si adalah hidrogen yang dipasifkan yang dapat melindungi permukaan Si dari oksidasi ulang dan mempertahankan karakteristik semikonduktor selama sekitar 60 menit [47]. Setelah pencelupan HF sampel diukur segera, untuk mengurangi pengaruh lapisan oksida pada karakterisasi listrik mungkin.
Hasil dan Diskusi
Pengukuran Properti Fotokonduktif pada Satu Si NWs
Dengan menggabungkan dengan iradiasi laser, sifat fotokonduktif Si NWs diselidiki oleh PCAFM sebagai fungsi intensitas laser. Gambar arus khas yang diperoleh pada Si NWs dengan diameter 190 nm dan panjang 800 nm di bawah iradiasi laser yang berbeda pada bias sampel 1,5 V ditunjukkan pada Gambar. 2b–f, bersama dengan gambar topografi yang ditunjukkan pada Gambar. 2a . Karena ujungnya adalah baji dengan sudut besar sehingga tidak dapat mencapai bagian bawah, terutama gambar yang diperoleh dalam mode kontak, kawat nano yang diamati agak terdistorsi dan hanya arus di sisi atas kawat nano yang dapat diukur. Bagaimanapun, distribusi kawat nano individu saat ini dapat diamati dengan jelas dari gambar saat ini. Pada gambar saat ini tanpa iradiasi laser (Gbr. 2b), Si NWs menunjukkan konduktansi yang sedikit lebih baik di sebagian besar tepi daripada pusat, yang dikaitkan dengan area kontak samping yang lebih besar antara ujung dan kawat nano [40]. Di bawah iradiasi laser, arus Si NWs meningkat jelas dengan intensitas laser (Gbr. 2c, d), sedangkan area konduktif kawat nano meningkat sejalan. Untuk mendapatkan hubungan yang jelas antara arus foto dan intensitas laser, arus rata-rata Si NW dihitung pada semua kawat nano di peta saat ini, yang disajikan pada Gambar 2g sebagai fungsi intensitas laser. Hasilnya menunjukkan bahwa arus rata-rata meningkat sekitar dua kali lipat (dari 85 menjadi 146 pA) saat intensitas laser meningkat dari 0 menjadi 8 W/cm
2
, menunjukkan lebih banyak pembawa yang dihasilkan di bawah penyinaran laser.
Topografi (a ) dan gambar Si NW saat ini dengan panjang 800 nm dan diameter 190 nm di bawah intensitas laser b yang berbeda 0, c 2, d 4, e 6 dan f 8 L/cm
2
. g menyajikan arus rata-rata (Iav ) di atas kawat nano sebagai fungsi intensitas laser. h menunjukkan respons foto sebagai fungsi intensitas laser
Dalam penelitian sebelumnya [32, 48], respons foto biasanya diterapkan untuk menggambarkan kemampuan respons fotodetektor, yang didefinisikan sebagai:
dimana AkuL dan AkuD adalah arus dengan dan tanpa iradiasi laser, masing-masing. Ptermasuk adalah produk kerapatan daya laser insiden dibagi dengan area efektif area kontak antara ujung dan sampel, q adalah muatan dasar dan hν adalah energi foton. Dalam kasus kami, area kontak efek adalah sekitar 2 × 10
–11
cm
2
dengan menggunakan jari-jari ujung 25 nm, dan sebagai hasilnya, respons foto Si NWs dapat dihitung menjadi sekitar 2,3 pada intensitas laser 2 W/cm
2
, menunjukkan bahwa Si NWs memiliki kemampuan peningkatan foto yang sangat baik. Gambar 2h menunjukkan respons foto sebagai fungsi intensitas laser, dan dapat dilihat bahwa respons foto menurun dengan meningkatnya intensitas laser, tetapi semua nilainya masih lebih besar dari 1. Dengan demikian, hasil di atas menunjukkan bahwa penyinaran laser dapat sangat meningkatkan konduktansi Si NW, menunjukkan potensi aplikasinya yang menjanjikan dalam fotodetektor.
Untuk menyelidiki ketergantungan ukuran dari sifat fotokonduktif, pengukuran arus foto dilakukan pada Si NWs dengan diameter dan panjang yang berbeda. Gambar khas Si NW saat ini dengan panjang 350 nm yang sama tetapi diameter berbeda dari 190 hingga 350 nm ditampilkan di File tambahan 1:Gambar. S1 di bawah 0, 4 dan 8 W/cm
2
iradiasi laser pada bias sampel yang sama sebesar 1,5 V. Arus rata-rata Si NWs yang dihitung pada semua kawat nano dalam gambar saat ini disajikan pada Gambar. 3a sebagai fungsi intensitas laser. Dapat dilihat bahwa konduktansi Si NWs dengan semua diameter meningkat secara nyata dengan meningkatnya intensitas laser. Di bawah intensitas laser yang sama, nilai arus absolut meningkat secara signifikan saat diameter berkurang dari 350 menjadi 190 nm. Hasil ini menunjukkan bahwa Si NWs dengan diameter lebih kecil lebih konduktif dibandingkan dengan yang lebih besar. Fotorespons rata-rata pada intensitas laser disajikan pada Gambar. 3b untuk diameter yang berbeda. Terlihat bahwa photoresponse berkurang dengan bertambahnya diameter, yang berarti bahwa Si NWs dengan diameter yang lebih kecil memiliki kemampuan photoresponse yang lebih baik. Di sisi lain, arus foto (ILAkuD ) pada intensitas laser 8 W/cm
2
untuk diameter yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 3c. Ini dengan jelas menunjukkan bahwa arus foto menurun dengan bertambahnya diameter, menunjukkan bahwa Si NWs dengan diameter yang lebih kecil memiliki fotokonduktansi yang lebih baik.
a Arus rata-rata (Iav ) dari Si NWs dengan diameter yang berbeda sebagai fungsi dari intensitas laser. b Respons foto rata-rata atas intensitas laser sebagai fungsi diameter. c Ketergantungan arus foto pada diameter pada intensitas laser 8 W/cm
2
. dAkuav Si NWs dengan panjang yang berbeda sebagai fungsi dari intensitas laser. e Rata-rata fotorespons atas intensitas laser sebagai fungsi dari panjang. f Ketergantungan arus foto pada panjang pada intensitas laser 8 W/cm
2
Pengukuran serupa dilakukan pada Si NWs dengan diameter yang sama tetapi panjang yang berbeda. Hasil kawat nano dengan diameter 190 nm dan panjang 350 hingga 960 nm ditunjukkan pada File tambahan 1:Gbr. S2. Arus rata-rata kawat nano dengan panjang yang berbeda disajikan pada Gambar. 3d. Dengan peningkatan intensitas laser, semua kawat nano menunjukkan peningkatan konduktansi yang nyata, dan Si NW yang lebih pendek memiliki konduktansi yang lebih besar di seluruh rentang intensitas laser hingga 8 W/cm
2
. Respons foto dan arus foto sebagai fungsi panjang kawat nano pada intensitas laser 8 W/cm
2
disajikan pada Gambar. 3e, f, masing-masing. Dapat dilihat bahwa dengan bertambahnya panjang dari 350 menjadi 960 nm, respons foto tidak menunjukkan ketergantungan panjang yang jelas, sedangkan arus foto sebagian besar menurun dengan bertambahnya panjang.
Analisis Kurva I–V dan Tinggi Penghalang Schottky Bergantung Ukuran
Seperti yang dilaporkan dalam pekerjaan kami sebelumnya [40], dalam pengukuran CAFM pada Si NWs, resistansi kontak tip-nanowire harus dipertimbangkan dengan tegas, di mana penghalang Schottky memainkan peran penting. Untuk menyelidiki peran penghalang Schottky dalam fotokonduktansi dan efek iradiasi laser pada ketinggian penghalang, kurva arus-tegangan (I–V) dicatat pada Si NWs individu. Kurva IV khas pada Si NWs dengan diameter 190 nm dan panjang 800 nm di bawah iradiasi laser yang berbeda disajikan pada Gambar 4a. Semua kurva I–V menunjukkan karakteristik khas I–V dari logam dan kontak semikonduktor tipe-n, menunjukkan efek lapisan oksigen pada konduktansi tidak serius dan dengan demikian diabaikan dalam diskusi berikut. Dapat diamati bahwa, ketika intensitas laser meningkat, arus Si NWs meningkat dengan jelas. Penyempurnaan ini dapat mencapai sekitar 3 kali lipat saat intensitas laser meningkat dari 0 menjadi 8 W/cm
2
di bawah bias -1.5 V, yang sangat konsisten dengan hasil yang diperoleh dari gambar saat ini. Untuk mendapatkan analisis kuantitatif, model emisi termionik terkenal untuk kontak logam-semikonduktor diadopsi [13, 49]. Dalam model ini, karakteristik I–V dari kontak Schottky ke semikonduktor tipe-n dengan adanya resistansi seri dapat didekati sebagai [13]:
dimana A adalah bidang kontak, \(A^{*}\) adalah konstanta Richardson, dan φB adalah ketinggian penghalang Schottky (SBH) antara ujung logam dan kawat nano Si. Dengan demikian, SBH dapat diperoleh dengan rumus:
a Kurva I–V khas Si NWs dengan diameter 190 nm dan panjang 800 nm di bawah iradiasi laser yang berbeda. b Nilai SBH diperoleh dari fitting kurva I–V pada a . Nilai SBH yang bergantung pada diameter dan panjang di bawah 8 W/cm
2
iradiasi laser diplot di c , d , masing-masing
Kurva I–V pada Gambar. 4a dapat dipasang dengan baik dengan Persamaan. (2). Untuk mendapatkan nilai SBH dari arus saturasi, konstanta Richardson efektif \(A^{*}\) diasumsikan kira-kira sama dengan silikon curah, yaitu 112 A cm
−2
K
−2
untuk silikon tipe-n. Area kontak diasumsikan 2 × 10
–11
cm
2
dengan mengambil jari-jari ujung yang dilapisi Cr/Pt sebagai 25 nm. Nilai SBH yang diperoleh sekitar 474, 453, 437, 429 dan 416 meV untuk intensitas laser yang berbeda dari 0, 2, 4, 6 dan 8 W/cm
2
, masing-masing, seperti yang diplot pada Gambar. 4b. Ini menunjukkan bahwa SBH menurun secara signifikan dengan intensitas laser, yang mungkin menjadi kontributor utama konduktansi fotoenhanced. Sementara itu, ketergantungan SBH pada diameter dan panjang kawat nano pada intensitas laser yang sama diberikan masing-masing pada Gambar 4c, d. Hasilnya menunjukkan bahwa Si NWs dengan diameter yang lebih kecil dan panjang yang lebih pendek memiliki nilai SBH yang lebih kecil, menghasilkan fotokonduktansi yang lebih baik yang diperoleh pada kawat nano tersebut. Ketergantungan diameter dan panjang SBH di bawah iradiasi laser yang berbeda ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar. S3, yang selanjutnya mendukung kesimpulan di atas. Jelas, semua nilai SBH terukur untuk Si NWs dengan diameter dan panjang yang berbeda lebih kecil daripada Si massal (~ 600 meV) [40] dan semakin menurun dengan meningkatnya intensitas laser, menunjukkan bahwa Si NWs dapat mencapai sifat fotokonduktif yang menjanjikan untuk aplikasi potensial.
Oleh karena itu, dari hasil di atas, dapat disimpulkan bahwa sifat fotokonduktif Si NW sangat bergantung pada diameter dan panjangnya, yaitu Si NW dengan diameter yang lebih kecil dan panjang yang lebih pendek menunjukkan fotokonduktansi yang lebih baik, yang harus dikaitkan dengan SBH yang bergantung pada ukuran sebagai diungkapkan oleh pemasangan kurva I-V. Mekanisme pasti tentang ketergantungan ukuran SBH belum jelas. Ini mungkin terkait dengan status antarmuka dan/atau struktur yang tidak teratur di lapisan luar yang kasar. Menurut penelitian sebelumnya [50,51,52], status antarmuka yang terisi daya dapat secara efektif mengurangi SBH. Misalnya, dalam referensi [50], Yoon et al. menganggap bahwa transfer pembawa yang diinduksi keadaan antarmuka akan membentuk dua lapisan bermuatan berlawanan dengan keadaan permukaan bermuatan negatif dan jumlah muatan positif yang sama, yang dapat menghasilkan medan listrik yang bertentangan dengan medan listrik bawaan, menghasilkan penurunan efektif SBH yang sangat bergantung pada diameter kawat nano. Dengan menggunakan pemodelan elemen hingga dan memperlakukan kawat nano sebagai kapasitor koaksial silinder, mereka menemukan bahwa besarnya penurunan penghalang akan meningkat seiring dengan penurunan diameter kawat nano. Dalam kasus kami, karena permukaan kasar kawat nano fabrikasi MACE, saat bersentuhan dengan ujung logam, kepadatan besar status antarmuka akan dihasilkan yang juga dapat secara efektif menurunkan ketinggian penghalang dengan mengadopsi sudut pandang di atas. Densitas keadaan permukaan meningkat dengan penurunan diameter kawat nano, SBH yang lebih kecil dapat dicapai pada kawat nano dengan diameter yang lebih kecil. Dengan demikian, Si NWs dengan diameter yang lebih kecil menunjukkan konduktansi yang lebih besar. Karena SBH berkurang dengan intensitas laser untuk semua diameter, Si NWs dengan diameter yang lebih kecil juga menunjukkan fotokonduktansi yang lebih besar.
Alasan mengapa nilai SBH bergantung pada panjang, bagaimanapun, tidak dapat ditafsirkan dengan sudut pandang ini. Kawat nano yang lebih panjang membutuhkan lebih banyak waktu MACE untuk dibuat, menghasilkan lebih banyak gangguan atau kekasaran permukaan. Perubahan yang berbeda pada struktur mikro permukaan dapat menyebabkan perubahan nilai SBH yang berbeda, yang memerlukan penyelidikan lebih lanjut untuk mengetahuinya. Bagaimanapun, apa pun asal mula ketergantungan ukuran dari sifat fotokonduktif, penurunan SBH yang bergantung pada ukuran dapat menghasilkan konduktansi atau fotokonduktansi yang lebih tinggi, yang seharusnya bermanfaat untuk aplikasi praktis.
Muatan Terjebak yang Dihasilkan Foto dan Modifikasi Tinggi Penghalang
Untuk memverifikasi lebih lanjut hasil SBH dari Si NWs yang diperoleh oleh PCAFM, gambar EFM diukur pada Si NWs di bawah iradiasi laser yang berbeda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a–d. Dapat dilihat bahwa gaya elektrostatik menginduksi pergeseran fasa (ΔΦ ) meningkat jelas dengan intensitas laser. Gambar pergeseran fasa yang diperoleh dalam mode pemindaian garis di tengah atas kawat nano disajikan pada Gambar 5e, dan pergeseran fasa rata-rata pada garis pemindaian sepanjang kurva yang ditandai digambar pada Gambar 5f. Keduanya jelas menunjukkan peningkatan Φ dengan intensitas laser.
Gambar topografi Si NWs (a ), gambar pergeseran fase yang diperoleh pada intensitas laser berbeda 0 (b ), 4 (c ) dan 10 L/cm
2
(d ), masing-masing. e Gambar pergeseran fasa diperoleh dalam mode pemindaian garis di tengah atas kawat nano. Pergeseran fase rata-rata di atas garis pindai di sepanjang kurva merah yang ditandai di e diplot dalam f
Untuk mendapatkan informasi yang lebih pasti dari pengukuran EFM, Φ diukur sebagai fungsi dari tegangan yang diterapkan (VEFM ) di bawah iradiasi laser yang berbeda pada kawat nano tunggal tertentu. Satu set Φ ~ VEFM kurva yang diukur pada kawat nano Si dengan diameter 190 nm dan panjang 800 nm disajikan pada Gambar 6a sebagai titik-titik yang tersebar. Dapat dilihat bahwa, dengan meningkatnya intensitas laser, Φ ~ VEFM kurva bergeser ke bawah. Ini menunjukkan lebih banyak pembawa yang dihasilkan dan terperangkap dalam kawat nano [45]. Untuk analisis kuantitatif, sistem tip-sampel diperlakukan sebagai kapasitor bidang, dan gradien gaya elektrostatik kapasitif akan menyebabkan pergeseran fasa ketika menerapkan bias antara tip dan sampel. Dengan muatan yang terperangkap dalam struktur nano oleh iradiasi laser, pergeseran fasa tambahan yang disebabkan oleh gaya Coulombik akan dihasilkan [53]. Pergeseran fase yang terdeteksi oleh EFM dapat digambarkan sebagai [54, 55]:
dimana C , VEFM dan VBPH adalah kapasitansi, tegangan DC yang diterapkan dan perbedaan potensial kontak antara ujung dan sampel, masing-masing. Ts adalah jumlah muatan yang terperangkap dalam kawat nano, Q adalah faktor kualitas dan k adalah konstanta pegas probe, dan z adalah jarak antara muatan yang terperangkap dalam kawat nano.
Φ ~ VEFM kurva pada Gambar. 6a dapat dipasang dengan baik dengan menggunakan Persamaan. (5), ditampilkan sebagai garis padat. Dari parameter pas, VBPH dan Qs dapat diperoleh dengan menggunakan Q = 186 dan k = 2,8 N/m untuk ujung berlapis Pt/Ir [56, 57] dan mendekati z sebagai ketinggian angkat, yang diplot pada Gambar. 6b sebagai fungsi intensitas laser. Dapat dilihat bahwa, dengan peningkatan intensitas laser, VBPH berkurang sementara muatan yang terperangkap Qs meningkat. Seperti yang dilaporkan dalam literatur [46], perubahan VBPH di bawah iradiasi laser terkait dengan variasi kepadatan pembawa yang terperangkap. Jadi penurunan VBPH dengan penyinaran laser dalam eksperimen kami juga dapat dikaitkan dengan peningkatan kepadatan muatan yang terperangkap.
aΦ ~ VEFM kurva yang diukur dengan EFM pada Si NWs individu dengan diameter 190 nm dan panjang 800 nm di bawah penyinaran laser yang berbeda. b Hasil dari Qs dan VBPH diperoleh dengan memasang kurva di a sebagai fungsi dari intensitas laser. Ketergantungan diameter dan panjang VBPH pada intensitas laser 8 W/cm
2
disajikan dalam c , d , masing-masing
Dari diagram energi yang diberikan dalam file Tambahan 1:Gambar. S4, nilai SBH kira-kira sama dengan qVBPH ditambah En (= ECEB ) [40]. Sebagai En adalah konstanta untuk semua Si NW yang dibuat dari bahan yang sama, ketergantungan ukuran VBPH dengan baik mewakili SBH. The results of VCPD obtained on Si NWs with different diameters and lengths are presented in Additional file 1:Fig. S5 as a function of laser intensity. All of the measured VCPD for Si NWs with different diameters and lengths decrease with the increased laser intensity. The dependence of VCPD on nanowires’ diameter and length at the same laser intensity of 8 W/cm
2
is shown in Fig. 6c, d, respectively. It can be seen that the VCPD increases obviously with the increased diameter and increased length, in a good agreement with the size dependence of SBH. Therefore, from the EFM results, it can be suggested the laser irradiation can generate carriers trapped in nanowires, which can induce the lowering of barrier height leading to the enhancement of conductance (Fig. 4).
Kesimpulan
In summary, by a simple and low-cost method without involving any intricated procedures, Si NWs arrays with controllable diameters and lengths are prepared. The photoconductive properties are directly measured on individual Si NWs without complex nanofabrication procedure by the means of PCAFM. The size-dependent conductance of Si NWs is obtained on individual nanowires with different diameters and lengths. The results demonstrate that the photocurrent measured on individual Si NWs increases greatly with the laser intensity, and the increasing magnitude is obviously related to the nanowires’ sizes. Si NWs with smaller diameters and shorter lengths exhibit larger photoconductance. On the other hand, the measurements performed by EFM combined with laser irradiation provided the information of photogenerated charges and contact barrier height, which can be applied to explain the photoconductive properties of Si NWs as well as their size-dependence. Therefore, in this study, the photoelectrical properties are investigated on individual nanowires by PCAFM and EFM, which should be important for both basic understanding and potential applications of nanostructures in optoelectronics and photovoltaics.
Ketersediaan data dan materi
The datasets used for supporting the conclusion are included in the article and the supporting file.
Singkatan
Si NWs:
Si nanowires
CAFM:
Conductive atomic force microscopy
PCAFM:
Photoconductive conductive atomic force microscopy
