Asistida por flujo dielectroforesis: Un método de bajo costo para la fabricación de dispositivos de nanocable procesables en solución de alto rendimiento

Resumen

En este papel, flujo dielectroforesis asistida se demuestran para el automontaje de dispositivos nanocable. La fabricación de un transistor de efecto de campo de nanocable de silicio se muestra como un ejemplo.

Resumen

Asistida por flujo dielectroforesis (DEP) es un eficiente método de automontaje para el controlable y reproducible posicionamiento, alineación y selección de nanohilos. DEP se utiliza para análisis de nanocable, caracterización y basado en la solución de fabricación de dispositivos semiconductores. El método funciona mediante la aplicación de un campo eléctrico alterno entre electrodos metálicos. La formulación de nanocable entonces se dejó caer en los electrodos que están en una superficie inclinada para crear un flujo de la formulación mediante gravedad. Los nanohilos entonces alinean a lo largo del gradiente del campo eléctrico y en la dirección del flujo del líquido. Puede ajustar la frecuencia del campo para seleccionar nanohilos con conductividad superior y menor densidad de trampa.

En este trabajo, DEP asistida por flujo se utiliza para crear nanocable transistores de efecto campo. DEP asistida por flujo tiene varias ventajas: permite selección de nanocable características eléctricas; control de la longitud de nanocable; colocación de los nanohilos en áreas específicas; control de orientación de nanohilos; y control de densidad de nanocable en el dispositivo.

La técnica puede ser ampliada a muchas otras aplicaciones como sensores de gas e interruptores de microondas. La técnica es eficiente, rápido, reproducible, y utiliza una cantidad mínima de solución diluida, lo que es ideal para la prueba de nuevos nanomateriales. Montaje de escala de oblea de los dispositivos de nanocable también se logra con esta técnica, que permite gran número de muestras para pruebas y aplicaciones electrónicas de gran superficie.

Introducción

Controlable y reproducible ensamblaje de nanopartículas en lugares predefinidos del sustrato es uno de los principales retos en solución procesada electrónicos y fotónicos dispositivos utilizando nanopartículas semiconductoras o llevando a cabo. Para dispositivos de alto rendimiento, también es altamente beneficioso para poder seleccionar nanopartículas de tamaños preferenciales y propiedades electrónicas, como, por ejemplo, alta conductividad y baja densidad de Estados superficiales trampa. A pesar de progresos significativos en el crecimiento de nanomateriales, incluyendo materiales de nanocable y nanotubos, algunas variaciones de las propiedades de nanopartículas están siempre presentes, y un paso de selección puede mejorar significativamente el rendimiento de dispositivos basados en nanopartículas^{1 ,2}.

El propósito del método DEP asistida por flujo demostrado en este trabajo es abordar los retos arriba mostrando el conjunto de nanohilos semiconductores controlables en contactos metálicos para transistores de efecto de campo de nanocable de alto rendimiento. DEP soluciona varios problemas de fabricación de dispositivos de nanocable en un solo paso, incluyendo colocación de nanohilos, orientación/alineación de nanohilos y selección de nanohilos con propiedades deseadas mediante DEP señal frecuencia selección¹. DEP se ha utilizado para muchos otros dispositivos que van desde gas sensores³transistores¹, y RF cambia^4,5, a la colocación de las bacterias para análisis⁷.

DEP es la manipulación de partículas polarizables mediante la aplicación de un campo no uniforme resultando en nanohilos de uno mismo-montaje a través de los electrodos⁸. El método fue desarrollado originalmente para la manipulación de bacterias^9,10 pero desde entonces se ha ampliado a la manipulación de nanohilos y nanomateriales.

Proceso de solución DEP de nanopartículas permite la fabricación de dispositivos semiconductores que difiere significativamente de las técnicas tradicionales de arriba-abajo basadas en múltiples photomasking, implantación iónica, temperatura alta¹⁴, recocido y decapado a unos pasos. DEP manipula nanopartículas que ya han sido sintetizadas, es una técnica de fabricación de baja temperatura, de abajo hacia arriba¹¹. Este enfoque permite que los dispositivos de nanocable a gran escala montar en casi cualquier sustrato, incluyendo sustratos de plástico sensible a la temperatura, flexible^6,12,13.

En este trabajo, transistores de efecto de campo de alto rendimiento p-tipo silicio nanocable se fabrican con DEP asistida por flujo, y se lleva a cabo la caracterización de corriente-voltaje de FET. Los nanohilos de silicio utilizados en este trabajo se cultivan mediante el método de Super líquido líquido sólido (SFLS)^15,16. Los nanocables son intencionalmente dopados y son aproximadamente de 10-50 μm de longitud y 30-40 nm de diámetro. El método de crecimiento de SFLS es muy atractivo ya que puede ofrecer la industria cantidades escalables de nanocable materiales¹⁵. La metodología de montaje propuesto nanocable es directamente aplicable a otros materiales del semiconductor nanocable como InAs¹³, SnO₂³GaN¹⁸. La técnica también puede ser ampliada para alinear nanohilos conductores¹⁹ y colocar nanopartículas a través de electrodos huecos²⁰.

Protocolo

PRECAUCIÓN: Todos los procedimientos a menos que lo contrario indicado tendrá lugar en las evaluaciones de medio ambiente y el riesgo de un limpio han hecho para garantizar la seguridad durante los nanohilos y manipulación de productos químicos. Nanomateriales tengan un número de consecuencias para la salud que son como de todavía desconocido y por lo que deberá manejarse con apropiado cuidado²¹.

Nota: El proceso comienza con la preparación de los sustratos, seguido por los primeros pasos de deposición de metal y Fotolitografía para definir los contactos DEP. Los nanohilos se ensamblan luego mediante DEP y un paso adicional opcional photolithographic y metal de la deposición puede realizarse para depósito superior contactos en nanohilos. Las características de corriente / tensión dispositivos de nanocable transistor se miden con el equipo de caracterización de semiconductores.

1. preparación de sustratos

1. Cortar una oblea de dióxido de silicio/silicio de tipo n dopado en tamaños convenientes, por ejemplo, 2,5 cm².
2. Durante el corte, asegúrese de que la superficie de la oblea no esté tocada rayada.
3. Ejecutar una punta de trazar de diamante a través de la superficie en un movimiento continuo para hacer un corte.
4. Dividir la oblea a lo largo del corte.
5. Coloque las muestras en un soporte de sustrato y someter a ultrasonidos durante 5 min en un baño ultrasónico al 100% de potencia (450 W), primero en agua desionizada, luego la acetona y finalmente isopropanol (IPA).
   Nota: Ver Tabla de materiales para números del CAS y proveedores.
6. Los sustratos con una pistola de nitrógeno para quitar cualquier resto IPA o polvo de la superficie en seco.
7. Ceniza de plasma las muestras en plasma de oxígeno de 100 W durante 5 min para eliminar cualquier residuo orgánico remanente.

2. Fotolitografía proceso bicapa de contactos

Nota: Un proceso de fotolitografía de bicapa se utiliza para crear electrodos. El proceso de fotolitografía se lleva a cabo en un salón amarillo para prevenir la caries de photoresist materiales.

1. Calentar la muestra a 150 ° C durante 15 minutos usando una placa, para quitar toda el agua de la superficie.
   Nota: Esto es para asegurar la adherencia de photoresist; sin embargo, también pueden utilizar iniciadores químicos como HMDS.
2. Retire la muestra de la placa y colóquela sobre un recubridor spin.
3. Usando una pipeta, gota aproximadamente 1 mL de photoresist A en la superficie hasta cubre uniformemente toda la muestra.
   Nota: Ver Tabla de materiales para la fotoresistencia exacto utilizado.
4. Girar la muestra a 4.000 rpm durante 45 s, para producir un espesor de película de aproximadamente 250 nm. Si los electrodos que son más gruesas que los 150 nm son depositados, cambiar esta receta.
5. Retire la muestra de un recubridor de giro y coloque sobre una placa caliente a 150 ° C durante 5 minutos.
6. Retire la muestra de la placa y dejar reposar 5 min en una caja de humedad de 50% la muestra. Esto es para asegurar la rehidratación de la fotoresistencia²².
   Nota: Si la humedad del laboratorio es superior al 50%, la muestra se puede dejar en el aire.
7. Coloque la muestra en un recubridor spin y pipetee 1 mL aproximadamente de photoresist B en la superficie del sustrato.
8. Girar la muestra a 3.500 rpm durante 45 s, dando un espesor de película de aproximadamente 500 nm.
9. Coloque la muestra en una placa caliente a 120 ° C por 2 min.
10. Retire la muestra de la placa y dejar descansar en una caja de humedad de 50% durante 5 minutos.
11. Exponer la muestra usando una máscara de alineador y photomask a la luz UV para 6.7 s para un total de 180 mJ de la exposición.
    Nota: La dosis de exposición exacta que tenga que ajustar en función de un modelo particular de alineador de la máscara.
12. Retire la muestra del máscara-alineador y desarrollar sumergiendo en photoresist developer para 30 s.
    Nota: Ver Tabla de materiales para el desarrollador exacto.
13. Retire la muestra de la promotora, sumergir la muestra en agua desionizada y enjuáguela para detener el proceso de desarrollo.
14. Compruebe la fotolitografía usando un microscopio óptico. Un polarizador puede utilizarse para comprobar la socava de la bicapa que debe aparecer como débiles líneas alrededor del canal. El tiempo puede ser ajustado si es mucho o poco dos socavan se logra.

3. deposición de contactos metálicos

Nota: Deposición del electrón (E-beam) de la viga se utiliza para los electrodos en la fotoresistencia preparado de depósito. Este proceso también puede utilizar evaporadores térmicos u otros tipos de técnicas de deposición de película delgada de metal.

1. Colocar las muestras en la cámara E-beam; bomba hacia abajo hasta llega a un alto vacío. En este caso, se llega a un vacío de alrededor de 1 x 10^-6 mTorr.
2. Depósito 2-6 nm de titanio que actúa como capa de adhesión seguido por 30 nm de oro para los contactos DEP.
3. Retire las muestras de la cámara E-beam.
4. Realice el procedimiento de despegue mediante la eliminación de la mayoría de la fotoresistencia y exceso del metal. Esto se realiza colocando las muestras en un vaso de photoresist remover durante 15 minutos.
5. Extraer las muestras del vaso de la fotoresistencia removedor A y colocar en otro vaso limpio de photoresist remover por 15 minutos más. Esto es para evitar que cualquier partícula de metal grande colocar en la muestra.
6. Completo despegue por sonicando el vaso durante 5 minutos a potencia 50%.
7. Retirar las muestras del baño uno por uno, asegurándose de enjuagar el material con IPA para evitar que partículas de metal no deseadas colocar entre electrodos.
   Nota: Los electrodos están preparados ahora para la alineación de DEP de nanohilos.

4. DEP de nanohilos

1. Preparar una solución de silicio u otros nanohilos en anisole de concentración de aproximadamente 1 μg/mL. En este experimento, la solución es brevemente sonicada por 15 s en la menor potencia posible quitar cualquier floculación. Pueden utilizarse otros solventes como el tolueno y el N, N-dimetilformamida (DMF)¹.
2. Comprobar la solución colocar 10 μl de la formulación de nanocable sobre un substrato sacrificial del bastidor.
3. Examine el sustrato con nanocables depositados mediante un microscopio óptico polarizado (POM). Los nanohilos de silicio son birrefringentes y por lo tanto pueden ser vistos fácilmente en POM. Si hay no hay matas de nanocable visible, y la mayoría de nanohilos se dispersa bien en el substrato, entonces puede comenzar la siguiente etapa, de lo contrario la solución es volver a sonicación y la concentración de nanocable puede ser necesario ajustar. Puede tomar varios intentos para lograr la dispersión correcta de nanocable.
4. Colocar la muestra preparada con electrodos a 30° (vs horizonte) inclinada plataforma con el canal del dispositivo alineado horizontalmente. La dirección del flujo de dispersión debe ser perpendicular a los bordes de los electrodos para permitir alineación de nanocable más eficiente.
5. Póngase en contacto con los electrodos utilizando micro-sondas conectadas a un generador de frecuencia¹.
6. Conjunto de que la frecuencia deseada y la tensión son el generador de frecuencia. En este experimento, utilizar una tensión de señal DEP de 10 V pico-a pico y una onda sinusoidal de 1 MHz.
   Nota: Aumentar la frecuencia a 20 MHz puede ayudar a recopilar nanohilos con alta conductividad y trampa baja densidad^1,2. Véase la referencia¹ para una discusión detallada. DEP señal frecuencia indicada aquí se obtuvo mediante la realización de SFLS Si nanohilos espectroscopia y colección tiempo análisis de impedancia, como se describe en la referencia¹. Otros tipos de nanohilos con movilidad de portador de carga superior o inferior, dopado nanohilos o nanohilos obtenidos por otros métodos de crecimiento pueden tener diferente rango de la frecuencia de la señal DEP resultante en el cobro de nanocables de alta calidad.
7. Encender el generador de frecuencia y soltar aproximadamente 10 μl de solución de nanocable utilizando una micropipeta sobre el área de dispositivo.
   Nota: Colocar la muestra en un ángulo (30 º) ayuda a crear un flujo lento del líquido de la asistida por gravedad. Por otra parte, una acción capilar con un portaobjetos de vidrio puede ser usado⁶.
8. La DEP se aplica señal de 30 s y apague luego el generador de frecuencia.
9. Retire la muestra y lavar suavemente con IPA.
10. Seco de la muestra con suavidad utilizando una pistola de nitrógeno. Un microscopio óptico polarizado se puede utilizar para inspeccionar la muestra y ajustar los parámetros
    Nota: El voltaje de la señal DEP, la frecuencia y la densidad de la dispersión de nanocable pueden ajustarse para lograr una densidad deseada reproducible de nanohilos de unos nanohilos a unos pocos cientos por dispositivo^1,2.

5. deposición de una capa metálica secundaria

1. Para lograr mejor inyección actual en NW FETs, aplicar un segundo contacto metálico en la parte superior del nanocable.
   Nota: Este proceso deposición contacto sigue los mismos pasos exactos que las secciones 2 y 3, en fotolitografía y deposición de metal, excepto que se deposita una capa de oro.

6. IV caracterización de los dispositivos de nanocable

Nota: Las muestras están ahora completas y pueden ser utilizadas en posteriores experimentos o sus características-V pueden medirse para establecer propiedades eléctricas de la FET de nanocable. Los dispositivos fabricados son FETs back Country, donde sirve la puerta común de la oblea de silicio dopada, y SiO₂ capa sirve como el dieléctrico de la puerta.

1. Para establecer contacto eléctrico con la puerta, saque una pequeña área del óxido de silicio en el borde de la muestra usando un diamante.
2. Utilizar una pistola de nitrógeno para eliminar cualquier partícula no deseada dióxido de silicio.
3. Coloque tres microsondas (fuente, desagüe y puerta) en los contactos del electrodo de fuente de oro-drenaje, con la sonda de puerta en el área con quitada de SiO₂.
4. Utilizar un sistema de caracterización de semiconductores para tomar medidas-V.
5. Mida las exploraciones transferencia y salida de NW FETs como estos dan información sobre el rendimiento del dispositivo y las propiedades eléctricas de los nanohilos^1,17,23. Cuenta que las mediciones de transferencia son versión source-drain y barrido tensión de puerta. Las características de salida son medidas por el barrido de voltaje drenaje fuente y voltaje de la puerta de escalonamiento.

Resultados

Bicapa Fotolitografía resultados en limpio agudamente definidos electrodos. En el ejemplo (figura 1A), estructura de dedo entre digitated fue utilizado con una longitud de canal de 10 μm. Estas estructuras permiten una amplia zona montar el número máximo de nanocables cuando se aplica la fuerza DEP. Figura 1B muestra un esquema de un dispositivo de nanocable FET de puerta inferior.

Discusión

La fabricación acertada y el rendimiento de los dispositivos dependen de varios factores claves. Estos incluyen nanocable densidad y distribución en la formulación, la elección del solvente, la frecuencia de DEP y el control del número de nanohilos presente en el dispositivo de electrodos¹.

Uno de los pasos críticos en la realización de dispositivos de trabajo repetibles es la preparación de una formulación de nanocable sin clusters o grupos. La formulación pu...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Silicon/silicon dioxide wafer, CZ method growth, 100mm diameter,  300 nm oxide thermal growth,  n-doped phosphorus	Si-Mat (Silicon materials)	-	http://si-mat.com/
Acetone (200ml)	Sigma Aldrich	W332615	-
Isopropanol (200ml)	Sigma Aldrich	W292907	-
Deionised water (150ml)	On site supply	-	-
Photoresist (A) SF6 PMGI under etch photoresit (approx 1 ml per sample)	Microchem	-	http://microchem.com/pdf/PMGI-Resists-data-sheetV-rhcedit-102206.pdf
Photoresist (B) S1805 photoresit) (approx 1 ml per sample)	Microchem	-	http://www.microchem.com/PDFs_Dow/S1800.pdf
Photoresist developer Microposit  MF319  (100ml)	Microchem	-	http://microchem.com/products/images/uploads/MF_319_Data_Sheet.pdf
Photoresist remover Microposit remover 1165 (300ml (2 baths 150 each))	Microchem	-	http://micromaterialstech.com/wp-content/dow_electronic_materials/datasheets/1165_Remover.pdf