Fabrikasi Penyearah Nanosensor dengan Dielektroforesis Arus Langsung Penyelarasan Kawat Nano ZnO

Hasil dan Diskusi

Gambar 2a, b menunjukkan tampilan rencana dan gambar SEM penampang, berturut-turut, dari susunan ZnO NW yang ditumbuhkan dengan metode hidrotermal. ZnO NWs memiliki bentuk heksagonal, diameter rata-rata 120 nm, dan panjang 3,5 m. Gambar 2c menunjukkan gambar TEM dari ZnO NW individu, yang merupakan struktur kristal tunggal dan arah pertumbuhan [001], sebagaimana dikonfirmasi oleh gambar resolusi atom TEM pada Gambar. 2d.

a Tampilan atas dan b gambar SEM penampang dari susunan ZnO NWs yang dibuat dengan metode DC-DEP. c Citra TEM ZnO NW. d Gambar TEM resolusi atom ZnO NW sesuai dengan kotak merah di c . Insetnya adalah pola SAD dari ZnO NW

Konsentrasi suspensi ZnO NW asli diperkirakan sekitar 2,5 × 10 ⁶ #/μl. Suspensi ZnO NW asli diencerkan dengan 20 × dan dijatuhkan ke elektroda Au/Ti yang terpisah dengan bias DC 1 hingga 7 V dalam proses penyelarasan DEP. ZnO NWs disejajarkan melintasi elektroda Au/Ti, sejajar satu sama lain pada tegangan dari 1 hingga 3 V; kepadatan ZnO NWs selaras meningkat dengan bias yang diterapkan (File tambahan 1:Gambar. S1). Namun, ketika bias yang diterapkan melebihi 4 V, elektroda mudah putus (File tambahan 1:Gbr. S2). Kepadatan ZnO NWs yang selaras dikontrol dengan memvariasikan konsentrasi suspensi ZnO NW. Oleh karena itu, untuk membuat perangkat ZnO NW individu untuk tujuan mengukur sifat listriknya, konsentrasi suspensi ZnO NW yang berbeda digunakan pada tegangan yang diterapkan 1, 2, dan 3 V. Gambar 3 memplot kurva I–V dari individu yang dibuat Perangkat ZnO NW dengan tegangan 1, 2, dan 3 V diterapkan pada elektroda saluran pada proses penyelarasan DEP. Perilaku penyearah diamati ketika tegangan yang diberikan adalah 3 V. Kurva IV dari sekitar 70% perangkat menunjukkan perilaku penyearah dan perangkat lain memiliki resistansi kontak. Ketika tegangan yang diberikan lebih kecil dari 2 V, hampir semua perangkat memiliki resistansi kontak yang tinggi.

Kurva I–V dari masing-masing perangkat ZnO NW dengan tegangan 1, 2, dan 3 V diterapkan ke elektroda pembuangan dalam proses penyelarasan DEP

Gambar 4 menunjukkan gambar SEM dari perangkat ZnO NW individu yang dibuat menggunakan tegangan 3 V dalam proses penyelarasan dan menunjukkan karakteristik penyearah IV. Gambar TEM dan analisis difraksi elektron area terpilih (SAED) dari perangkat penyearah ini ditunjukkan pada Gambar. 5. Struktur kristal di sisi sumber dan saluran pembuangan dan tengah kawat nano semuanya sama dengan ZnO NW sebelum penyelarasan, menyiratkan bahwa proses penyelarasan tidak menyebabkan kerusakan struktural yang signifikan pada objek nano. Untuk memahami mengapa kurva I–V menunjukkan perilaku penyearah, komposisi kimia antarmuka ZnO/Au di kedua ujung ZnO NW ditentukan oleh spektroskopi sinar-X dispersi energi (EDS), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6 Profil jarak konsentrasi Au menyiratkan bahwa Au berdifusi dari elektroda ke ZnO NW. Kedua konsentrasi atom Zn dan O sekitar 60-140 nm dari antarmuka ZnO/Au sekitar 50%. Menjelang antarmuka, konsentrasi Zn pertama meningkat sedikit dan kemudian menurun dengan cepat, sedangkan konsentrasi O menurun perlahan. Kami menyimpulkan alasan berikut. Antarmuka ZnO/Au menunjukkan resistansi kontak ketika ZnO NW diadsorpsi pada kedua elektroda Au dalam proses penyelarasan DEP. Suhu kontak NW/elektroda meningkat dengan aliran fluks elektron yang tinggi melalui kontak karena pemanasan Joule [20], yang menyebabkan atom Au berdifusi dari elektroda Au ke ZnO NWs bagian dalam. Atom Zn didorong ke bagian dalam ZnO NW dan kekosongan Zn terbentuk.

Gambar SEM dari perangkat ZnO NW individu yang dibuat menggunakan tegangan 3 V dalam proses penyelarasan dan menunjukkan karakteristik penyearah IV

a Gambar TEM dari perangkat ZnO NW individu yang dibuat menggunakan tegangan 3 V dalam proses penyelarasan dan menunjukkan karakteristik penyearah IV. Gambar TEM atom dari sisi saluran ZnO NW dan luasnya sesuai dengan persegi kiri di a . Gambar atom TEM bagian tengah ZnO NW dan luasnya sesuai dengan kotak tengah di a . Gambar atom TEM dari sisi sumber ZnO NW dan luasnya sesuai dengan kuadrat kanan di a

Komposisi kimia antarmuka ZnO/Au di kedua sisi ZnO NW ditentukan dengan spektroskopi sinar-X dispersi energi (EDS). Gambar TEM dari a tiriskan dan b sisi sumber ZnO NW. c Profil jarak konsentrasi Zn, O dan Au sepanjang c AA′ dan d BB′ ditampilkan dalam a , b , masing-masing

Gambar 6 menunjukkan bahwa konsentrasi Au di sisi saluran lebih tinggi daripada di sisi sumber, menunjukkan bahwa suhu di sisi saluran lebih tinggi daripada di sisi sumber karena efek pemanasan Joule asimetris. Selain itu, beberapa perangkat yang dibuat dengan bias DC 3 V mengalami deformasi di sisi saluran, seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gbr. S3. Untuk perangkat yang dibuat di bawah bias yang diterapkan 5 V dan 7 V DC, daerah anoda rusak parah dengan melelehkan kemudian daerah katoda, seperti yang ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar. S2. Fenomena ini juga menunjukkan bahwa pemanasan Joule bersifat asimetris.

Untuk menyelidiki sifat photosensing dari perangkat berbasis ZnO NW yang memperbaiki, sinar UV 365 nm dengan berbagai intensitas disinari secara vertikal ke perangkat sementara karakteristik respons foto yang sesuai direkam. Gambar 7a memplot kurva IV perangkat ini, yang mengungkapkan bahwa arus foto dapat diinduksi. Gambar 7b, c menunjukkan respons foto bergantung waktu dari perangkat penyearah ini di bawah iluminasi periodik. Sensitivitas yang lebih tinggi dicapai ketika perangkat menunjukkan bias terbalik. Fotosensitifitas (S) dihitung menggunakan persamaan berikut [21],

dimana Aku _UV/Vis dan Aku _gelap adalah arus yang diukur di bawah penerangan dan dalam gelap, masing-masing. Waktu respons dan waktu pemulihan didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan sensor untuk mencapai 90% dari tahanan tetapnya dan kembali ke 10% dari nilainya. [22] Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7b, ketika perangkat berada di bawah eksitasi UV pada + 3 V dalam mode bias maju, arus meningkat dari ~ 2.5 ke ~ 5.75 A. Sensitivitasnya adalah 2,3 dan waktu respons dan pemulihan masing-masing adalah 1,8 detik dan 4,9 detik. Di sisi lain, ketika perangkat berada di bawah eksitasi sinar UV pada 3 V dalam mode bias terbalik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7c, arus meningkat secara tiba-tiba dari 0,1 menjadi 200 nA. Sensitivitasnya adalah 2000, yang merupakan 870 kali dari perangkat dalam mode bias maju. Waktu respons dan waktu pemulihan masing-masing adalah 0,1 dan 0,145 detik, yang jauh lebih pendek daripada mode bias maju. Detektor Pt(Ga)-ZnO NW-Pt Schottky disiapkan oleh Zhou et al. [13] menunjukkan sensitivitas 1500 pada 1 V dalam mode bias mundur di bawah radiasi UV 365 nm. Waktu respon dan waktu pemulihan adalah 0,6 dan 6 detik. Dibandingkan dengan perangkat mereka, perangkat dalam pekerjaan ini memiliki respons dan kecepatan pemulihan yang lebih tinggi serta proses fabrikasi yang lebih sederhana. Dengan demikian, metode ini dapat dipertimbangkan untuk membuat dioda Schottky lainnya berdasarkan kawat nano semikonduktor. Gambar 7d menunjukkan arus foto (I _P ) dari sensor berbasis ZnO-NW pada 3 V dalam mode bias mundur dapat menandingi hukum daya sederhana, I _P P ^0,64 , di mana P adalah intensitas cahaya. Eksponen non-kesatuan adalah hasil dari proses kompleks generasi elektron-hole, trapping, dan rekombinasi dalam semikonduktor. [23]

a Kurva I–V dari sensor berbasis ZnO-NW di bawah penyinaran cahaya 365 nm dengan intensitas berbeda. b Respons foto yang diselesaikan dengan waktu dari sensor berbasis ZnO-NWs pada + 3 V dalam mode bias mundur di bawah penerangan UV putih dengan menyalakan dan mematikan. c Respons foto yang diselesaikan dengan waktu dari sensor berbasis ZnO-NWs pada 3 V dalam mode bias terbalik di bawah penerangan UV putih dengan menyalakan dan mematikan. d Arus foto sensor berbasis ZnO-NW pada 3 V dalam mode bias mundur sebagai fungsi intensitas cahaya dan kurva pemasangan yang sesuai menggunakan hukum daya

Dalam karya ini, perangkat memiliki struktur logam-semikonduktor-logam (M-S-M). Oksigen teradsorpsi pada permukaan ZnO di udara dan menangkap elektron bebas, yang menyebabkan daerah penipisan di dekat permukaan. Ketika bias DC yang diterapkan kurang dari 2 V dalam proses penyelarasan DEP, ZnO NW hanya teradsorpsi secara fisik pada elektroda Au. Antarmuka Au/Zn memiliki resistensi kontak yang serius karena pembentukan kontak Schottky. Diagram energi ditunjukkan pada Gambar. 8a. Dengan demikian, arus tidak dapat mengalir melalui perangkat dalam pengukuran kurva I–V seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Ketika bias yang diterapkan naik ke 3 V, pemanasan Joule asimetris terjadi dan oksigen terdesorbsi untuk membentuk antarmuka Au/ZnO. Secara bersamaan, atom Au berdifusi dari elektroda Au ke ZnO NWs dan kekosongan Zn yang dihasilkan. Penelitian sebelumnya [24] menunjukkan bahwa ZnO NWs yang difabrikasi dengan metode hidrotermal adalah semikonduktor tipe-n dengan fungsi kerja 5,28 eV karena terbentuknya kekosongan O. Secara teori, antarmuka Au/ZnO menunjukkan karakteristik kontak Ohmik. Ketika konsentrasi kekosongan Zn lebih tinggi dari kekosongan O, karakteristik kawat nano ZnO berubah dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p karena kekosongan Zn memainkan peran seperti akseptor. Dengan demikian, antarmuka Au/ZnO mengubah sifat listriknya menjadi kontak Schottky. [19] Dalam penelitian ini, pemanasan Joule asimetris menyebabkan kontak Schottky di ujung saluran pembuangan dan kontak Ohmik di ujung sumber seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8b. Oleh karena itu, jika bias yang diterapkan cukup untuk menginduksi pemanasan Joule (3 V), kurva IV penyearah diperoleh.

Diagram pita struktur Au/ZnO/Au. a Perangkat yang dibentuk oleh proses penyelarasan DEP dengan bias DC yang diterapkan kurang dari 2 V. b Perangkat yang dibentuk oleh proses penyelarasan DEP dengan bias DC yang diterapkan sebesar 3 V, c kondisi gelap di bawah bias mundur dan d di bawah iluminasi dengan bias terbalik. λ adalah lebar deplesi

Sehubungan dengan kinerja fotorespons, perangkat penyearah dalam mode bias mundur memiliki sensitivitas tinggi dan waktu respons yang singkat. Diagram pita perangkat dengan bias reveres dalam gelap ditunjukkan pada Gambar. 8c. Wilayah penipisan besar (λ ) menghalangi aliran pembawa dan mengurangi arus gelap. Iluminasi UV, diagram pita ditunjukkan pada Gambar. 8d. Elektron fotogenerasi yang dibuat di daerah penipisan persimpangan Schottky yang dibias terbalik terperangkap di daerah penipisan, yang mengecilkan daerah penipisan. Elektron yang terkumpul akan menarik lubang dari elektroda ke dalam kawat nano. Penyempitan daerah penipisan menyebabkan lubang tunneling di semikonduktor, menyebabkan peningkatan gain arus lebih besar dari satu dan peningkatan kecepatan transportasi lubang [23, 25, 26]. Selain itu, sambungan pn di kawat nano ZnO membentuk penghalang potensial ketika fotodetektor dibias mundur. Dengan demikian, kurva IV perangkat di bawah iradiasi cahaya 365 nm tidak linier, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a.

Dalam penelitian sebelumnya [17, 18], perangkat penyearah telah dibuat dengan menyelaraskan ZnO NWs pada elektroda berpasangan menggunakan penyelarasan DEP dan perilaku penyearahnya adalah hasil dari pembentukan kontak asimetris dalam proses penyelarasan DEP. Namun, arah perbaikannya acak. Dalam penelitian kami sebelumnya [20], karakteristik penyearah IV dari perangkat ini diperoleh dalam proses pengukuran kurva IV, dan arah penyearah ditentukan oleh arah sapuan tegangan. Dalam penelitian ini, proses pembuatan yang sederhana digunakan. Perangkat dibuat oleh DC dalam proses perakitan yang diinduksi medan listrik dan arah penyearah ditentukan oleh arah arus.