Perilaku Fotoelektrik Bergantung Ukuran pada Nanowires Silikon Tunggal

Abstrak

Array teratur periodik nanowires (Si NWs) silikon yang selaras vertikal berhasil diproduksi dengan diameter dan panjang yang dapat dikontrol. Properti fotokonduktif mereka diselidiki dengan mikroskopi gaya atom fotokonduktif (PCAFM) pada nanowire individu. Hasilnya menunjukkan bahwa arus foto Si NWs meningkat secara signifikan dengan intensitas laser, menunjukkan bahwa Si NWs memiliki kemampuan fotokonduktansi dan respons foto yang baik. Peningkatan konduktivitas ini dapat dikaitkan dengan perubahan halangan Schottky yang diinduksi cahaya, dikonfirmasi oleh analisis kurva I–V. Di sisi lain, hasil mikroskopi gaya elektrostatis (EFM) menunjukkan bahwa sejumlah besar muatan foto terperangkap dalam Si NWS under radiasi laser, yang mengakibatkan penurunan tinggi halangan. Selain itu, ketergantungan ukuran dari properti fotokonduktif dipelajari pada Si NWS dengan diameter dan panjang yang berbeda. Ditemukan bahwa magnitude peningkatan arus foto dengan intensitas laser sangat relevan dengan diameter dan panjang nanowire. Si NWS dengan diameter yang lebih kecil dan panjang yang lebih pendek menampilkan properti fotokonduktif yang lebih baik, yang sejalan dengan variasi tinggi halangan yang bergantung ukuran yang diinduksi oleh muatan foto. Dengan diameter dan panjang yang dioptimalkan, properti fotoelektrik yang luar biasa dicapai pada Si NWS. Secara keseluruhan, dalam studi ini properti fotoelektrik nanowire Si individu secara sistematis diselidiki oleh PCAFM dan EFM, memberikan informasi penting untuk optimasi struktur nano untuk aplikasi praktis.

Pendahuluan

Nanowires silikon (Si NWS) telah menarik perhatian besar dalam beberapa tahun terakhir karena properti unik dan kompatibilitas dengan teknologi silikon tradisional. Si NWS telah ditunjukkan untuk berbagai aplikasi, seperti sirkuit logika terintegrasi, sel surya, perangkat termoelektrik, dan biosensor [1,2,3,4,5]. Khususnya, ketika disusun secara teratur, Si NWS dapat secara besar meningkatkan penyerapan cahaya dan pengumpulan muatan, sehingga memungkinkan pencapaian efisiensi tinggi baik dalam sel surya maupun detektor foto [6,7,8]. Dalam beberapa dekade terakhir, pertumbuhan yang dapat dikontrol dari array nanowire teratur ini serta pembuatan optimal perangkat fotovoltaik (PV) telah diteliti secara intensif [9,10,11]. Sebaliknya, ada jauh lebih sedikit studi fundamental tentang karakteristik fotoelektrik dari array Si NWS ini, terutama pada nanowire individu di dalam array.

Untuk merealisasikan aplikasi array nanowire teratur dalam sel surya dan perangkat PV, sangat penting untuk mendapatkan pemahaman yang baik tentang properti fotokonduktif mereka. Hingga kini, properti fotokonduktif array nanowire umumnya diselidiki dengan metode makroskopis dengan penambahan elektroda dua sisi di bawah radiasi cahaya [12, 13]. Namun, untuk analisis yang lebih akurat, diperlukan untuk mencapai properti pada nanowire tunggal atau individu daripada hasil rata-rata. Selain studi yang menerapkan perangkat nanowire tunggal yang sulit diproduksi, pengukuran listrik berbasis mikroskopi probe pemindaian (SPM) telah menunjukkan diri sebagai teknik yang kuat untuk karakterisasi listrik pada skala nano [14, 15]. Di antara teknik SPM ini, mikroskopi gaya atom konduktif (CAFM) paling sering diterapkan untuk mempelajari properti konduktif struktur nano individu seperti film, heterostruktur serta nanowire [16,17,18,19,20]. Dengan menggabungkan dengan radiasi cahaya, ini dapat dimodifikasi menjadi mikroskopi gaya atom fotokonduktif (PCAFM) yang memberikan jalur untuk menyelidiki properti 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 silikon mikro kristal, heterostruktur CdS, film MoS₂ dan NWS ZnO [30,31,32,33]. Namun, sebagian besar studi ini berfokus pada pengaruh radiasi cahaya dengan intensitas atau panjang gelombang yang bervariasi, sementara sedikit penelitian yang mempedulikan efek ukuran nanowire.

Di sisi lain, untuk mencapai array Si NWS dengan properti fotokonduktif yang sangat baik, sangat perlu untuk mendapatkan ketergantungan ukuran untuk optimasi diameter dan panjang nanowire. Oleh karena itu, dalam beberapa dekade terakhir, banyak upaya telah dilakukan untuk mengungkap ketergantungan ukuran dari properti fotokonduktif dengan menggunakan metode makroskopis atau perangkat nanowire tunggal [34, 35]. Dalam aspek ketergantungan panjang, banyak penelitian menemukan bahwa arus foto meningkat dengan peningkatan panjang nanowire di bawah nilai tertentu yang bervariasi dari 1 hingga 18 μm dan kemudian menurun seiring dengan peningkatan panjang lebih lanjut [12, 36, 37], sementara studi lain melaporkan bahwa fotokonduktansi meningkat sublinier dengan penurunan panjang [38]. Sementara itu, hasil ketergantungan diameter masih sangat tidak konsisten. Misalnya, karya Kim et al. menemukan bahwa fotokonduktansi nanowire Ge intrinsik meningkat dengan berkurangnya diameter [35], sementara karya lain pada nanowire GaN menemukan arus foto meningkat seiring dengan peningkatan diameter [39]. Oleh karena itu, ketergantungan ukuran dari properti fotokonduktif pada nanowire masih jauh dari pemahaman yang baik dan umum.

Dalam tulisan ini, array teratur Si NWS yang selaras vertikal dengan diameter dan panjang yang dapat dikontrol berhasil diproduksi dengan metode litografi nanobola (NSL) digabungkan dengan pengasetan kimia bantu logam (MACE), seperti yang dilaporkan dalam studi sebelumnya [1, 40]. Properti fotokonduktif mereka diselidiki dengan PCAFM tanpa pengolahan nano tambahan. Hasil kami menunjukkan bahwa arus foto yang diukur pada nanowire Si individu meningkat sangat besar dengan intensitas laser, dan magnitude peningkatan ini jelas terkait dengan ukuran nanowire. Si NWS dengan diameter yang lebih kecil dan panjang yang lebih pendek lebih fotokonduktif. Di sisi lain, pengukuran yang dilakukan oleh mikroskopi gaya elektrostatis (EFM) digabungkan dengan radiasi cahaya memberikan informasi tentang muatan foto dan modifikasi tinggi halangan, yang dapat digunakan untuk menjelaskan peningkatan konduktivitas foto yang bergantung ukuran Si NWS. Oleh karena itu, studi ini tidak hanya mengungkap properti fotoelektrik yang bergantung ukuran Si NWS tetapi juga menunjukkan bahwa PCAFM dan EFM adalah alat yang efektif dalam menyelidiki properti fotoelektrik struktur nano individu serta untuk menjelajahi ketergantungan ukuran (atau parameter lainnya).

Bahan dan Metode

Bahan

Wafer Si dibeli dari MTI (China). Air deionisasi (DI, 18,2 MΩ cm) diperoleh dari sistem ultrafiltrais (Milli-Q, Millipore, Marlborough, MA). Aseton, metanol, asam sulfat, peroksida hidrogen, dan asam hidroflorida dibeli dari Sinopharm Chemical Reagent (China). Suspensi (2,5 wt% dalam air) bolabola polistirena (PS, 490 nm diameter) dibeli dari Duke Scientific (USA).

Pembuatan dan Karakterisasi Si NWS

Array nanowire silikon selaras vertikal diproduksi oleh NSL dan MACE, seperti yang dilaporkan dalam studi sebelumnya [1, 40]. Proses pembuatan utama sederhana dijelaskan sebagai berikut. Pertama, bolabola polistirena (PS) diatur sendiri pada wafer Si yang telah dibersihkan secara kimiawi (n-type, 0,01–0,02 Ω cm). Kemudian, diameter bolabola PS dikurangi oleh pengeringan ion reaktif (RIE, Trion Technology) (50 W, 70 mTorr) ke nilai yang diinginkan, dan monolayer PS yang dikurangi diameternya bertindak sebagai masker dalam prosedur berikutnya. Setelah penambalan film Au 20 nm oleh ion sputtering yang bertindak sebagai katalis untuk treatment MACE berikutnya, sampel direndam dalam larutan campuran HF (40%) dan H₂O₂ (30%) dengan rasio volume 4:1 untuk proses MACE dan NWS Si yang selaras vertikal diproduksi oleh prosedur ini. Akhirnya, lapisan Au yang tersisa dan bolabola PS dihapus dengan merendam sampel dalam larutan campuran KI/I₂ dan larutan tetrahidrofuran, masing-masing. Morfologi setelah setiap langkah diperiksa oleh mikroskopi elektron pemindaian (SEM, SIGMA300). Citra SEM tipikal dari monolayer PS yang diatur sendiri asli, monolayer PS yang dikurangi diameter, dan array Si NWS yang diproduksi setelah menghapus lapisan Au dan bolabola PS ditampilkan pada Gambar 1a–c, masing-masing. Terlihat bahwa array NWS Si yang selaras vertikal dan teratur dicapai dalam skala besar. Selain itu, dengan menyesuaikan waktu RIE dan MACE, diameter dan panjang nanowire dapat dikendalikan dengan baik [40].

Perilaku Fotoelektrik Bergantung Ukuran pada Nanowires Silikon Tunggal

Selain itu, komposisi nanowire diukur dengan menggunakan spektroskopi dispersi energi X-ray (EDX, OXFORD, Aztec X-Max 80). Spektrum EDX tipikal yang diukur pada nanowire Si setelah rendaman HF ditampilkan pada Gambar 1d. Hasilnya menunjukkan bahwa nanowire didominasi oleh silikon (~ 95,6%) kecuali jejak oksigen (4,4%). Untuk konfirmasi, pengukuran EDX diulang berkali-kali pada berbagai area sampel, dan hasil pengukuran sangat sejalan, dengan konsentrasi oksigen bervariasi dari 0 hingga 7,2%. Oleh karena itu, dapat diperkirakan secara kasar bahwa NWS Si yang diproduksi murni dan bebas dari impuritas lain, kecuali oksidasi ringan pada permukaan. Hasil kami sejalan dengan yang dilaporkan dalam studi sebelumnya oleh HRTEM atau EDX [41, 42], di mana ditemukan bahwa NWS Si yang diproduksi dengan metode MACE yang sama terutama mempertahankan struktur kristal mereka dan hanya lapisan amorf tipis yang diamati pada permukaan dinding NWS [43, 44]. Lapisan SiO₂ tipis ditemukan terbentuk pada permukaan nanowire porus, tanpa impuritas lain yang terdeteksi pada permukaan [41].

Pengukuran fotoelektrik pada NWS Si individu dilakukan dengan peralatan SPM komersial (Multimode V, Bruker Nano Surfaces), seperti dirancang pada Gambar 1e. Dalam PCAFM, ujung konduktif memindai permukaan sampel dalam mode kontak dengan tegangan bias yang diterapkan antara substrat dan ujung yang di-gringkan listrik, dan arus yang dihasilkan diukur. Radiasi cahaya diperkenalkan ke dalam kepala SPM melalui serat 400-μm. Laser dioda 405 nm dengan intensitas dapat disesuaikan (DPSS Lasers, MDL-III) difokuskan pada substrat, dan luas titik laser sekitar 1 mm² di bawah tip yang dilapisi Pt/Cr. Untuk mendapatkan pengukuran arus yang stabil pada setiap intensitas laser, kami menunggu beberapa menit sebelum pengukuran untuk mengurangi status tidak stabil yang disebabkan oleh perubahan intensitas laser sebanyak mungkin. Di sisi lain, diperlukan lebih dari sepuluh menit untuk menyelesaikan setiap pengukuran citra arus. Karena kami ingin menyelesaikan pengukuran arus di bawah berbagai intensitas laser sebelum nanowire teroksidasi secara serius, intensitas laser dengan interval yang relatif besar (2 W/cm²) bervariasi dari 0 hingga 8 W/cm² dipilih. Citra arus fotokonduktif serta kurva I–V diukur pada nanowire individu di bawah berbagai radiasi cahaya. Dengan menggunakan EFM, baik topografi sampel maupun perpindahan fase yang diinduksi gaya listrik dapat direkam oleh mode dua-pass. Dalam pass pertama, citra topografi diperoleh dalam mode tapping. Dalam pass kedua yang diangkat (ujung diangkat cukup tinggi untuk mengabaikan perpindahan fase yang diinduksi oleh gaya van der Waals), tegangan DC diterapkan antara ujung dan sampel dan sinyal perpindahan fase yang ditentukan oleh gradien gaya listrik terdeteksi. Prinsip operasi terperinci dapat ditemukan dalam studi sebelumnya [45, 46]. Tip yang dilapisi Pt/Cr (Multi75E-G, Budget Sensors, radius sekitar 25 nm) diterapkan dalam semua pengukuran listrik dan semua eksperimen dilakukan dalam ambu N₂ yang mengalir. Setiap sampel direndam terlebih dahulu dalam larutan HF (5%) selama 30 s untuk menghapus lapisan oksida pada permukaan sampel, dan kemudian sampel dicuci dalam air deionisasi yang mengalir selama setidaknya 5 min sehingga tidak ada HF yang tersisa pada permukaan, kecuali permukaan Si yang di-passivasi hidrogen yang dapat melindungi permukaan Si dari reoksidasi dan mempertahankan karakteristik semikonduktor selama sekitar 60 menit [47]. Setelah rendaman HF, sampel diukur segera, untuk mengurangi pengaruh lapisan oksida pada karakterisasi listrik sebanyak mungkin.

Hasil dan Pembahasan

Pengukuran Properti Fotokonduktif pada Si NWS Tunggal

Dengan menggabungkan radiasi cahaya, properti fotokonduktif Si NWS diselidiki oleh PCAFM sebagai fungsi dari intensitas laser. Citra arus tipikal yang diperoleh pada Si NWS dengan diameter 190 nm dan panjang 800 nm di bawah berbagai radiasi cahaya pada bias sampel − 1,5 V ditampilkan pada Gambar 2b–f, bersama dengan citra topografi yang ditampilkan pada Gambar 2a. Karena tip adalah cakram dengan sudut besar yang membuatnya tidak dapat mencapai dasar, terutama citra diperoleh dalam mode kontak, nanowire yang diamati sedikit terdistorsi dan hanya arus pada sisi atas nanowire yang dapat diukur. Bagaimanapun, distribusi arus nanowire individu dapat diamati dengan jelas dari citra arus. Dalam citra arus tanpa radiasi cahaya (Gambar 2b), NWS Si menunjukkan konduktivitas yang sedikit lebih baik di sebagian besar tepi daripada pusat, yang disebabkan oleh luas kontak sisi yang lebih besar antara tip dan nanowire [40]. Di bawah radiasi cahaya, arus NWS Si meningkat jelas dengan intensitas laser (Gambar 2c, d), sementara area konduktif nanowire meningkat secara sesuai. Untuk mendapatkan hubungan yang jelas antara arus foto dan intensitas laser, arus rata-rata NWS Si dihitung dari semua nanowire dalam peta arus, yang disajikan pada Gambar 2g sebagai fungsi dari intensitas laser. Hasilnya menunjukkan bahwa arus rata-rata meningkat sekitar dua kali lipat (dari 85 hingga 146 pA) seiring dengan peningkatan intensitas laser dari 0 hingga 8 W/cm², menunjukkan lebih banyak pembawa dihasilkan di bawah radiasi cahaya.

Dalam studi sebelumnya [32, 48], respons foto biasanya diterapkan untuk menggambarkan kemampuan respons detektor foto, yang didefinisikan sebagai:

$$R = \frac{{{{(I_{{\text{L}}} - I_{D} )} \mathord{\left/ {\vphantom {{(I_{{\text{L}}} - I_{D} )} q}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} q}}}{{{{P_{{{\text{inc}}}} } \mathord{\left/ {\vphantom {{P_{{{\text{inc}}}} } {h\upsilon }}} \right. \kern-\nulldelimiterspace} {h\upsilon }}}},$$ (1)

di mana I_L dan I_D adalah arus dengan dan tanpa radiasi cahaya, masing-masing. P_inc adalah hasil kali densitas daya laser insiden dibagi dengan luas efektif dari area kontak antara tip dan sampel, q adalah muatan dasar dan hν adalah energi foton. Dalam kasus kami, area kontak efektif sekitar 2 × 10^–11 cm² dengan menggunakan radius tip 25 nm, dan sebagai hasilnya respons foto NWS Si dapat dihitung sekitar 2,3 pada intensitas laser 2 W/cm², menunjukkan bahwa NWS Si memiliki kemampuan peningkatan foto yang luar biasa. Gambar 2h menyajikan respons foto sebagai fungsi dari intensitas laser, dan dapat dilihat bahwa respons foto menurun seiring dengan peningkatan intensitas laser tetapi semua nilai masih lebih besar dari 1. Jadi, hasil di atas menunjukkan bahwa radiasi cahaya dapat secara besar meningkatkan konduktivitas NWS Si, menyarankan potensi aplikasi yang menjanjikan dalam detektor foto.

Untuk menyelidiki ketergantungan ukuran dari properti fotokonduktif, pengukuran arus foto dilakukan pada NWS Si dengan berbagai diameter dan panjang. Citra arus tipikal NWS Si dengan panjang yang sama 350 nm tetapi diameter yang berbeda dari 190 hingga 350 nm ditampilkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S1 di bawah radiasi laser 0, 4 dan 8 W/cm² pada bias sampel yang sama − 1,5 V. Arus rata-rata NWS Si yang dihitung dari semua nanowire dalam citra arus disajikan pada Gambar 3a sebagai fungsi dari intensitas laser. Dapat dilihat bahwa konduktivitas NWS Si dengan semua diameter meningkat jelas dengan peningkatan intensitas laser. Pada intensitas laser yang sama, nilai arus absolut meningkat secara signifikan seiring dengan berkurangnya diameter dari 350 hingga 190 nm. Hasil ini menunjukkan bahwa NWS Si dengan diameter yang lebih kecil lebih konduktif daripada yang lebih besar. Respons foto rata-rata dari intensitas laser disajikan pada Gambar 3b untuk berbagai diameter. Dapat dilihat bahwa respons foto menurun seiring dengan peningkatan diameter, yang berarti NWS Si dengan diameter yang lebih kecil memiliki kemampuan respons foto yang lebih baik. Di sisi lain, arus foto (I_L − I_D) pada intensitas laser 8 W/cm² untuk berbagai diameter ditampilkan pada Gambar 3c. Ini jelas menunjukkan bahwa arus foto menurun seiring dengan peningkatan diameter, menunjukkan bahwa NWS Si dengan diameter yang lebih kecil memiliki fotokonduktansi yang lebih baik.

Pengukuran serupa dilakukan pada NWS Si dengan diameter yang sama tetapi panjang yang berbeda. Hasil nanowire dengan diameter 190 nm dan panjang dari 350 hingga 960 nm ditampilkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S2. Arus rata-rata nanowire dengan berbagai panjang disajikan pada Gambar 3d. Dengan peningkatan intensitas laser, semua nanowire menunjukkan peningkatan yang jelas dalam konduktivitas, dan Si NWS yang lebih pendek memiliki konduktivitas yang lebih besar di seluruh rentang intensitas laser hingga 8 W/cm². Respons foto dan arus foto sebagai fungsi dari panjang nanowire pada intensitas laser 8 W/cm² disajikan pada Gambar 3e, f, masing-masing. Dapat dilihat bahwa dengan peningkatan panjang dari 350 hingga 960 nm, respons foto tidak menunjukkan ketergantungan panjang yang jelas, sementara arus foto berkurang besar seiring dengan peningkatan panjang.

Analisis Kurva I–V dan Tinggi Halangan Schottky Bergantung Ukuran

Seperti yang dilaporkan dalam karya kami sebelumnya [40], dalam pengukuran CAFM pada NWS Si, resistensi kontak tip-nanowire harus dipertimbangkan dengan penekanan, di mana halangan Schottky memainkan peran penting. Untuk menyelidiki peran halangan Schottky dalam fotokonduktansi dan efek radiasi cahaya pada tinggi halangan, kurva arus–tegangan (I–V) direkam pada NWS Si individu. Kurva I–V tipikal pada NWS Si dengan diameter 190 nm dan panjang 800 nm di bawah berbagai radiasi cahaya ditampilkan pada Gambar 4a. Semua kurva I–V menunjukkan karakteristik I–V tipikal dari kontak logam dan semikonduktor n-type, menunjukkan bahwa efek lapisan oksigen pada konduktivitas tidak serius dan oleh karena itu diabaikan dalam diskusi berikutnya. Dapat diamati bahwa, seiring dengan peningkatan intensitas laser, arus NWS Si meningkat jelas. Peningkatan dapat mencapai sekitar 3 kali lipat ketika intensitas laser meningkat dari 0 hingga 8 W/cm² pada bias −1,5 V, yang sejalan dengan hasil yang diperoleh dari citra arus. Untuk mendapatkan analisis kuantitatif, model emisi termionik yang terkenal untuk kontak logam–semikonduktor diadopsi [13, 49]. Dalam model ini, karakteristik I–V dari kontak Schottky pada semikonduktor n-type dengan keberadaan resistensi seri dapat didekati sebagai [13]:

$$I = I_{{\text{S}}} \left[ {\exp \left( {\frac{{q(V - IR_{{\text{S}}} )}}{{{\text{n}}kT}}} \right) - {1}} \right],$$ (2)

di mana n adalah faktor ideal dan R_S adalah resistensi seri. I_S adalah arus saturasi, yang dapat dinyatakan oleh:

$$I_{S} = AA^{*} T^{2} \exp \left( { - \frac{{\user2{\varphi }_{{\text{B}}} }}{kT}} \right),$$ (3)

di mana A adalah luas kontak, $A^{*}$ adalah konstanta Richardson, dan φ_B adalah tinggi halangan Schottky (SBH) antara tip logam dan nanowire Si. Jadi, SBH dapat diperoleh dengan rumus:

$$\user2{\varphi }_{{\text{B}}} = kT\ln \left( {\frac{{AA^{*} T^{2} }}{{I_{{\text{S}}} }}} \right),$$ (4)

Kurva I–V dalam Gambar 4a dapat dipasangkan dengan baik oleh Eq. (2). Untuk mendapatkan nilai SBH dari arus saturasi, konstanta Richardson efektif $A^{*}$ diasumsikan sekitar sama dengan silikon bulk, yaitu 112 A cm⁻² K⁻² untuk silikon n-type. Luas kontak diasumsikan 2 × 10^–11 cm² dengan mengambil radius tip yang dilapisi Cr/Pt sebagai 25 nm. Nilai SBH diperoleh sekitar 474, 453, 437, 429 dan 416 meV untuk berbagai intensitas laser 0, 2, 4, 6 dan 8 W/cm², masing-masing, seperti diplot pada Gambar 4b. Ini menunjukkan bahwa SBH berkurang secara signifikan dengan intensitas laser, yang mungkin menjadi penyumbang utama dari peningkatan konduktivitas foto. Pada saat yang sama, ketergantungan SBH pada diameter dan panjang nanowire pada intensitas laser yang sama diberikan dalam Gambar 4c, d, masing-masing. Hasilnya menunjukkan bahwa NWS Si dengan diameter yang lebih kecil dan panjang yang lebih pendek memiliki nilai SBH yang lebih kecil, yang menghasilkan fotokonduktansi yang lebih baik pada nanowire tersebut. Ketergantungan diameter dan panjang dari SBH di bawah berbagai radiasi cahaya ditampilkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S3, yang lebih mendukung kesimpulan di atas. Jelas, semua nilai SBH yang diukur untuk NWS Si dengan berbagai diameter dan panjang lebih kecil dari silikon bulk (~ 600 meV) [40] dan lebih berkurang seiring dengan peningkatan intensitas laser, menunjukkan bahwa NWS Si dapat mencapai properti fotokonduktif yang menjanjikan untuk aplikasi potensial.

Oleh karena itu, dari hasil di atas, dapat disimpulkan bahwa properti fotokonduktif NWS Si sangat bergantung pada diameter dan panjangnya, yaitu, NWS Si dengan diameter yang lebih kecil dan panjang yang lebih pendek menunjukkan fotokonduktansi yang lebih baik, yang harus dikaitkan dengan SBH yang bergantung ukuran yang terungkap oleh pemasangan kurva I–V. Mekanisme tepat tentang ketergantungan ukuran dari SBH belum jelas. Mungkin terkait dengan status antarmuka dan/atau struktur yang tidak teratur di lapisan luar yang kasar. Menurut studi sebelumnya [50,51,52], status antarmuka yang terisi dapat secara efektif mengurangi SBH. Misalnya, dalam referensi [50], Yoon et al. mengasumsikan bahwa transfer pembawa yang diinduksi oleh status antarmuka akan membentuk dua lapisan muatan berlawanan dengan status permukaan yang terisi negatif dan jumlah muatan positif yang sama, yang dapat menghasilkan medan listrik yang berlawanan dengan medan listrik bawaan, resulting in an effective lowering of SBH that was strongly dependent on nanowires’ diameter. Dengan menggunakan pemodelan elemen hingga dan memperlakukan nanowire sebagai kapasitor silinder koaksial, mereka menemukan bahwa magnitudo penurunan halangan akan meningkat seiring dengan berkurangnya diameter nanowire. Dalam kasus kami, karena permukaan kasar nanowire yang diproduksi MACE, ketika menyentuh tip logam, kepadatan status antarmuka yang besar akan dihasilkan yang juga dapat secara efektif menurunkan tinggi halangan dengan mengadopsi pandangan di atas. Kepadatan status permukaan meningkat dengan berkurangnya diameter nanowire, SBH yang lebih kecil dapat dicapai pada nanowire dengan diameter yang lebih kecil. Jadi, NWS Si dengan diameter yang lebih kecil menunjukkan konduktivitas yang lebih besar. Karena SBH berkurang dengan intensitas laser untuk semua diameter, NWS Si dengan diameter yang lebih kecil juga menunjukkan fotokonduktansi yang lebih besar.

Alasan mengapa nilai SBH bergantung pada panjang, namun, tidak dapat ditafsirkan dengan pandangan ini. Nanowire yang lebih panjang membutuhkan waktu MACE lebih lama untuk diproduksi, resulting in more surface disorder or roughness. Perubahan yang berbeda dalam mikrostruktur permukaan dapat memperkenalkan perubahan yang berbeda dari nilai SBH, yang memerlukan penyelidikan lebih lanjut untuk menyelesaikannya. Bagaimanapun, apapun asal-usul dari ketergantungan ukuran dari properti fotokonduktif, penurunan halangan yang bergantung ukuran dapat menghasilkan konduktivitas atau fotokonduktansi yang lebih tinggi, yang harus bermanfaat untuk aplikasi praktis.

Muatan Foto Terperangkap dan Modifikasi Tinggi Halangan

Untuk memverifikasi lebih lanjut hasil SBH NWS Si yang diperoleh oleh PCAFM, citra EFM diukur pada NWS Si di bawah berbagai radiasi cahaya, seperti ditampilkan pada Gambar 5a–d. Dapat diamati bahwa perpindahan fase yang diinduksi gaya elektrostatis (ΔΦ) meningkat jelas dengan intensitas laser. Citra perpindahan fase yang diperoleh dalam mode skala garis di tengah atas nanowire ditampilkan pada Gambar 5e, dan perpindahan fase rata-rata dari garis skana di sepanjang kurva yang ditandai digambar pada Gambar 5f. Keduanya jelas menunjukkan peningkatan ΔΦ dengan intensitas laser.

Untuk mendapatkan informasi yang lebih pasti dari pengukuran EFM, ΔΦ diukur sebagai fungsi dari tegangan yang diterapkan (V_EFM) di bawah berbagai radiasi cahaya pada nanowire tunggal tertentu. Sekumpulan kurva ΔΦ ~ V_EFM yang diukur pada nanowire Si dengan diameter 190 nm dan panjang 800 nm ditampilkan pada Gambar 6a sebagai titik terpencar. Dapat diamati bahwa, dengan peningkatan intensitas laser, kurva ΔΦ ~ V_EFM bergeser ke bawah. Ini menunjukkan lebih banyak pembawa dihasilkan dan terperangkap dalam nanowire [45]. Untuk analisis kuantitatif, sistem tip-sampel diperlakukan sederhana sebagai kapasitor datar, dan gradien gaya elektrostatis kapasitif akan menyebabkan perpindahan fase saat diterapkan bias antara tip dan sampel. Dengan muatan yang terperangkap dalam struktur nano oleh radiasi cahaya, perpindahan fase tambahan yang diinduksi oleh gaya Coulomb akan dihasilkan [53]. Perpindahan fase yang terdeteksi oleh EFM dapat dijelaskan sebagai [54, 55]:

$$\Delta \Phi = - \frac{Q}{k}\frac{\partial F}{{\partial z}} = - \frac{Q}{k}\left[ {\frac{1}{2}\frac{{\partial^{2} C}}{{\partial z^{2} }}(V_{{{\text{EFM}}}} - V_{{{\text{CPD}}}} )^{2 \, } + \frac{{Q_{{\text{s}}} }}{{2\pi \varepsilon_{0} z^{2} }}\left( {\frac{C}{z} - \frac{1}{2}\frac{\partial C}{{\partial z}}} \right)(V_{{{\text{EFM}}}} - V_{{{\text{CPD}}}} ) + \frac{{Q_{{\text{s}}}^{2} }}{{2\pi \varepsilon_{0} z^{3} }}} \right],$$ (5)

di mana C, V_EFM dan V_CPD adalah kapasitansi, tegangan DC yang diterapkan dan selisih potensial kontak antara tip dan sampel, masing-masing. Q_s adalah jumlah muatan yang terperangkap dalam nanowire, Q adalah faktor kualitas dan k adalah konstanta pegas probe, dan z adalah jarak antara muatan yang terperangkap dalam nanowire.

Kurva ΔΦ ~ V_EFM dalam Gambar 6a dapat dipasangkan dengan baik menggunakan Eq. (5), ditampilkan sebagai garis padat. Dari parameter pemasangan, V_CPD dan Q_s dapat diperoleh menggunakan Q = 186 dan k = 2,8 N/m untuk tip yang dilapisi Pt/Ir [56, 57] dan mendekati z sebagai tinggi ujung, yang diplot pada Gambar 6b sebagai fungsi dari intensitas laser. Dapat dilihat bahwa, dengan peningkatan intensitas laser, V_CPD berkurang sementara muatan terperangkap Q_s meningkat. Seperti yang dilaporkan dalam literatur [46], perubahan V_CPD di bawah radiasi cahaya terkait dengan variasi kepadatan pembawa terperangkap. Jadi penurunan V_CPD dengan radiasi cahaya dalam eksperimen kami juga dapat dikaitkan dengan peningkatan kepadatan muatan terperangkap.

Dari diagram energi yang diberikan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S4, nilai SBH sekitar sama dengan qV_CPD ditambah E_n (= E_C − E_F) [40]. Karena E_n adalah konstan untuk semua NWS Si yang dibuat dari bahan yang sama, ketergantungan ukuran dari V_CPD mewakili ketergantungan ukuran dari SBH. Hasil V_CPD yang diperoleh pada NWS Si dengan berbagai diameter dan panjang disajikan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S5 sebagai fungsi dari intensitas laser. Semua nilai V_CPD yang diukur untuk NWS Si dengan berbagai diameter dan panjang berkurang dengan peningkatan intensitas laser. Ketergantungan V_CPD pada diameter dan panjang nanowire pada intensitas laser yang sama 8 W/cm² ditampilkan pada Gambar 6c, d, masing-masing. Dapat dilihat bahwa V_CPD meningkat jelas dengan peningkatan diameter dan peningkatan panjang, sejalan dengan ketergantungan ukuran dari SBH. Oleh karena itu, dari hasil EFM, dapat disarankan bahwa radiasi cahaya dapat menghasilkan pembawa yang terperangkap dalam nanowire, yang dapat menginduksi penurunan tinggi halangan yang mengarah pada peningkatan konduktivitas (Gambar 4).

Kesimpulan

Ringkasannya, dengan metode sederhana dan berbiaya rendah tanpa melibatkan prosedur yang rumit, array NWS Si dengan diameter dan panjang yang dapat dikontrol dipersiapkan. Properti fotokonduktif diukur langsung pada NWS Si individu tanpa prosedur pembuatan nano yang kompleks melalui PCAFM. Ketergantungan ukuran dari konduktivitas NWS Si diperoleh pada nanowire individu dengan berbagai diameter dan panjang. Hasilnya menunjukkan bahwa arus foto yang diukur pada NWS Si individu meningkat sangat besar dengan intensitas laser, dan magnitude peningkatan ini jelas terkait dengan ukuran nanowire. NWS Si dengan diameter yang lebih kecil dan panjang yang lebih pendek menunjukkan fotokonduktansi yang lebih besar. Di sisi lain, pengukuran yang dilakukan oleh EFM digabungkan dengan radiasi cahaya memberikan informasi tentang muatan foto dan tinggi halangan kontak, yang dapat diterapkan untuk menjelaskan properti fotokonduktif NWS Si serta ketergantungannya pada ukuran. Oleh karena itu, dalam studi ini, properti fotoelektrik diselidiki pada nanowire individu oleh PCAFM dan EFM, yang harus penting baik untuk pemahaman dasar maupun potensi aplikasi struktur nano dalam optoelektronika dan fotovoltaik.

Peningkatan Fotoluminescensi dan Pengikatan Elektron-Fonon pada Nanowires CdS Doped Sn(IV): Pengaruh Konsentrasi Dopan Optimisasi Nanomaterial Anoda Cu₂SnS₃: Pengaruh Aneling terhadap Kinerja Elektrokimia

bahan nano