בסיוע זרימת Dielectrophoresis: שיטה בעלות נמוכה עבור הזיוף של התקני ננו-חוט processable-פתרון ביצועים גבוהים

Summary

בנייר זה, הזרימה dielectrophoresis בסיוע הוכח עבור הרכבה עצמית של התקני ננו-חוט. הזיוף של טרנזיסטור אפקט שדה ננו-חוט סיליקון מוצג בתור דוגמה.

Abstract

Dielectrophoresis בסיוע זרימה (DEP) הוא יעיל שיטת הרכבה עצמית עבור לשליטה, מיצוב, יישור, הדירים מבחר nanowires. DEP משמשת לניתוח ננו-חוט, אפיון, המבוסס על פתרון ייצור של התקני מוליכים למחצה. השיטה פועלת על-ידי החלת שדה חשמלי לסירוגין בין האלקטרודות מתכתי. ניסוח nanowire מתנתק אז אל האלקטרודות אשר נמצאים פני השטח נוטה ליצור זרם של ניסוח באמצעות כוח הכבידה. Nanowires ואז ישר לאורך מעבר הצבע של השדה החשמלי, בכיוון של זרימת הנוזל. התדירות של השדה יכול להיות מותאם כדי לבחור nanowires עם מעולה מוליכות נמוכה יותר צפיפות מלכודת.

בעבודה זאת, בסיוע זרימה DEP משמש כדי ליצור ננו-חוט טרנזיסטורים אפקט שדה. DEP בסיוע זרימה יש כמה יתרונות: הוא מאפשר בחירה של ננו-חוט תכונות חשמליות; שליטה על ננו-חוט אורך; המיקום של nanowires בתחומים ספציפיים; שליטה על כיוון של nanowires; ושליטה של צפיפות nanowire במכשיר.

ניתן להרחיב את הטכניקה ליישומים רבים אחרים כגון גז חיישנים ומתגים מיקרוגל. הטכניקה היא יעילה, מהירה, לשחזור, היא משתמשת כמות מזערית של פתרון שתדללו שהופך אותו אידיאלי עבור בדיקה של ננו-חומרים חדשניים. וופל הרכבה בקנה מידה של התקני ננו-חוט אפשר להשיג בעזרת טכניקה זו, המאפשר מספר רב של דוגמאות לבדיקות שטח גדול ליישומים אלקטרוניים.

Introduction

הרכבה לשליטה, לשחזור של חלקיקים במקומות מוגדרים מראש המצע הוא אחד האתגרים העיקריים בפתרון-עיבוד אלקטרוני פוטוני מכשירים ניצול חלקיקים מוליכים למחצה או ניצוח. עבור התקני ביצועים גבוהים, זה גם מאוד מועיל שניתן יהיה לבחור חלקיקים עם גדלי מועדף, ואת תכונות אלקטרוניות מסוים, כולל, לדוגמה, מוליכות גבוהה בצפיפות נמוכה של מלכודת משטח הברית. למרות התקדמות משמעותית בצמיחה ננו-חומרים, כולל חומרים ננו-חוט nanotube, וריאציות של ננו-חלקיק מאפיינים הם תמיד נוכחים, צעד הבחירה באופן משמעותי לשפר ביצועי התקן מבוסס על ננו-חלקיק^{1 ,2}.

מטרת השיטה DEP בסיוע זרימה להדגים בעבודה זו היא כתובת האתגרים לעיל על-ידי הצגת לשליטה מוליכים למחצה ההרכבה nanowires אל אנשי קשר מתכתי עבור ביצועים גבוהים nanowire שדה אפקט טרנזיסטורים. DEP פותר מספר בעיות של ננו-חוט ייצור המכשיר בצעד אחד לרבות מיקום nanowires, יישור/אוריינטציית nanowires, ומבחר nanowires עם המאפיינים הרצויים ויה DEP האות בתדר בחירה¹. DEP שימש להתקנים רבים אחרים החל חיישנים גז³, טרנזיסטורים¹, ועובר RF^4,5, המיקום של חיידקים עבור ניתוח⁷.

DEP הוא המניפולציה של חלקיקים polarizable דרך היישום של שדה חשמלי לא אחידה, וכתוצאה מכך nanowires הרכבה עצמית מעבר אלקטרודות⁸. השיטה פותחה במקור עבור המניפולציה של חיידקים^9,10 , אבל מאז הורחבה כדי המניפולציה של nanowires ו ננו.

DEP פתרון עיבוד של חלקיקים מאפשר ייצור המכשיר מוליכים למחצה השונה באופן משמעותי מזה של טכניקות מסורתיות מלמעלה למטה, בהתבסס על מספר photomasking, implantation יון, טמפרטורה גבוהה¹⁴, חישול, ו תחריט שלבים. כיוון DEP מתפעל חלקיקים זה כבר צריך להיות מסונתז, היא טכניקה¹¹פבריקציה נוספת בטמפרטורה נמוכה, מלמטה למעלה. גישה זו מאפשרת nanowire בקנה מידה גדול מכשירים הניתנים להרכבה על כמעט כל המצע כולל מצעים פלסטיק הרגיש, גמיש^6,12,13.

בעבודה זאת, ביצועים גבוהים מסוג p הסיליקון ננו-חוט שדה אפקט טרנזיסטורים מיוצרים באמצעות DEP בסיוע זרימה, אפיון זרם-מתח FET מתנהל. Nanowires סיליקון להשתמש בעבודה זו גדלים באמצעות ה^15,בשיטת סופר נוזל נוזל מוצק (SFLS)¹⁶. Nanowires במכוון מסטול, ויש כ 10-50 מיקרומטר באורכו של 30-40 ננומטר בקוטר. שיטת גידול SFLS הוא מאוד אטרקטיבי מאז שהוא יכול להציע תעשיית מדרגי כמויות של חומרים ננו-חוט¹⁵. המתודולוגיה המוצעת nanowire הרכבה ישימה ישירות על חומרים ננו-חוט מוליך למחצה אחרים כגון אינאס¹³, שוקולדים₂³וגן¹⁸. גם ניתן להרחיב את הטכניקה כדי ליישר nanowires מוליך¹⁹ ו למיקום חלקיקים על פני האלקטרודה פערים²⁰.

Protocol

שים לב: כל ההליכים אלא אם אחרת מתקיים כאמור הערכות סיכונים וסביבה חדר נקי נעשו כדי להבטיח בטיחות במהלך nanowires וכימיקלים טיפול. ננו עשוי יש מספר שההכנות אשר החל כבר ידוע, אז צריך להיות מטופל עם המתאים אכפת²¹.

הערה: התהליך מתחיל עם הכנת מצעים, ואחריו פוטוליתוגרפיה ומתכת התצהיר הצעדים הראשונים כדי להגדיר את אנשי הקשר של מניעת ביצוע נתונים. Nanowires הם ואז באמצעות מניעת ביצוע נתונים ו צעד נוסף אופציונלי photolithographic, מתכת התצהיר יכול להתבצע להפקיד את הקשר העליון על גבי nanowires. ננו-חוט טרנזיסטור התקני מתח זרם המאפיינים ואז נמדדים באמצעות ערכת אפיון מוליכים למחצה.

1. הכנת מצעים

1. חותכים רקיק דו תחמוצת סיליקון מסוג n מסומם/סיליקון בגדלים מתאימים, למשל, 2.5 ס מ².
2. במהלך חיתוך, ודא המשטח העליון של כשהפחד אינו נגע או שרוט.
3. הפעל גם יהלום על פני השטח. בתנועה רציפה אחת לעשות חתך.
4. לפצל את פרוסות לאורך החתך.
5. מניחים את הדוגמאות על בעל המצע, sonicate במשך 5 דקות באמבט אולטרא סונית ב 100% כוח (450 W), קודם מים יונים, אצטון, ואז סוף סוף אלכוהול איזופרופיל (IPA).
   הערה: ראה טבלה של חומרים עבור רשויות אישורים מספרים וספקים.
6. יבש את מצעים עם אקדח חנקן כדי להסיר כל IPA הנותרים או אבק מפני השטח.
7. פלסמה אפר הדגימות בפלסמה חמצן 100 W עבור 5 דקות כדי להסיר את כל שאריות אורגניות הנותרים.

2. פוטוליתוגרפיה תהליך Bilayer עבור אנשי קשר

הערה: תהליך פוטוליתוגרפיה bilayer משמש ליצירת אלקטרודות. תהליך פוטוליתוגרפיה מתנהל בחדר צהוב כדי למנוע ריקבון של חומרים photoresist.

1. מחממים את המדגם ב 150 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות באמצעות פלטה, כדי להסיר את כל יתרת כמות המים מפני השטח.
   הערה: זאת על מנת להבטיח הדבקה של photoresist; עם זאת תחל כימיים כגון HMDS יכול גם לשמש.
2. הסר את הדגימה הכיריים ומניחים אותו על ספין-coater.
3. באמצעות פיפטה, ירידה בערך 1 מ"ל של photoresist A על פני השטח עד המדגם כולו מכוסה בצורה אחידה.
   הערה: ראה טבלה של חומרים photoresist המדויק פעם.
4. ספין המדגם ב- 4,000 סל ד עבור 45 s, כדי לייצר עובי הסרט של 250 ננומטר. אם אלקטרודות אשר הם עבים יותר 150 nm הם להפקיד, לשנות את המתכון הזה.
5. הסר את הדגימה של הספין-coater ומניחים אותו על גזייה ב 150 מעלות צלזיוס במשך 5 דקות.
6. להסיר את הדגימה פלטת הבישול ולהשאיר את הדגימה כדי לנוח 5 דקות בקופסת 50% לחות. הדבר נועד להבטיח התייבשות של photoresist²².
   הערה: אם הלחות של המעבדה גדול מ- 50%, המדגם עלול להישאר לנוח באוויר.
7. מקם את הדגימה חזרה אל הספין-coater, פיפטה כ- 1 מ ל photoresist B על פני המצע.
8. ספין המדגם-3500 סל ד עבור 45 s, נותן עובי הסרט של 500 ננומטר.
9. מקם את הדגימה על גזייה ב 120 מעלות צלזיוס למשך 2 דקות.
10. הסר את הדגימה פלטה ולהשאיר לנוח בתיבת לחות 50% במשך 5 דקות.
11. לחשוף את הדגימה באמצעות המסכה-aligner photomask לאור אולטרא סגול על 6.7 s עבור סכום כולל של 180 mJ של חשיפה.
    הערה: המינון המדויק לחשיפה שאולי צריכים להיות מותאמים בהתאם דגם מסוים של המסכה aligner.
12. המדגם להסיר המסכה-aligner ולפתח במועט זה ב photoresist מפתח עבור 30 s.
    הערה: ראה טבלה של חומרים עבור היזם המדויק.
13. הסר את הדגימה של היזם, לטבול את הדגימה למים יונים, לשטוף אותו כדי לעצור את תהליך הפיתוח.
14. בדוק את פוטוליתוגרפיה נעזרת במיקרוסקופ אופטי. מקטב יכול לשמש כדי לבדוק את שיפול bilayer אשר אמור להופיע כמו הקווים העמומים סביב הערוץ. הזמן עשוי להיות מותאם אם יותר מדי או שניים קצת לערער מושגת.

3. בתצהיר של אנשי קשר מתכת

הערה: אלקטרון קרן (E-קרן) התצהיר משמש להפקיד אלקטרודות על photoresist מוכן. תהליך זה ניתן גם להשתמש מפזרי חום או סוגים אחרים של טכניקות התצהיר מתכת סרט דק.

1. מקם את הדגימות בבית הבליעה E-קרן; לסל למטה עד ואקום גבוה. במקרה זה, ניתן להגיע ואקום של mTorr^-6 בסביבות 1 x 10.
2. הפקדת ננומטר 2-6 של טיטניום אשר משמש כשכבת אדהזיה ואחריו 30 nm של זהב עבור אנשי הקשר DEP.
3. הסר את הדגימות מן החדר E-קרן.
4. בצע את ההליך ההמראה על-ידי הסרת רוב photoresist העודפים. פעולה זו מתבצעת על-ידי הצבת הדגימות לתוך גביע photoresist אקולוגי למשך 15 דקות.
5. הסר את הדגימות הספל של מסיר photoresist A ולמקם לתוך הספל נקי אחר של photoresist מסיר במשך 15 דקות נוספות. הדבר נועד למנוע כל חלקיקי מתכת גדול להתיישב על הדגימה.
6. המראה המלא מאת sonicating את. הספל למשך 5 דקות ב- 50% חשמל.
7. הסר את הדגימות האמבט אחד-אחד, הבטחת כדי לשטוף כל חומר עם IPA למניעת חלקיקי מתכת רצויה ליישב בין האלקטרודות.
   הערה: האלקטרודות מוכנות עכשיו כדי שיישור DEP nanowires.

4. מניעת ביצוע נתונים של Nanowires

1. להכין פתרון של סיליקון או אחרים nanowires ב anisole של 1 ריכוז µg/mL. בניסוי זה, הפתרון הוא sonicated בקצרה 15 s-הכוח הנמוך הגדרת ניתן להסיר כל flocculation. ממיסים אחרים יכול לשמש כמו טולואן ו N, N-dimethylformamide (DMF)¹.
2. בדוק את הפתרון על ידי ירידה הליהוק של µL 10 של ניסוח ננו-חוט על גבי מצע ההקרבה.
3. בדוק את המצע עם הפקיד nanowires באמצעות מיקרוסקופ אופטי מקוטב (POM). Nanowires סיליקון birefringent, ומכאן ניתן לראות בקלות בפום. אם יש גושים nanowire לא גלוי, רוב nanowires טוב הם התפזרו על המצע, אז השלב הבא יכול להתחיל אחרת הפתרון הוא sonicated מחדש, הריכוז nanowire אולי צריכים להיות מותאמים. ייתכן שיחלפו מספר ניסיונות להשיג את פיזור nanowire הנכון.
4. מקום פלטפורמת מדגם מוכן עם אלקטרודות על 30 מעלות (לעומת האופק) נוטה עם הערוץ התקן המיושרים אופקית. כיוון הזרימה של פיזור צריך להיות בניצב הקצוות אלקטרודות כדי לאפשר יישור nanowire יעיל יותר.
5. צור קשר עם האלקטרודות באמצעות מיקרו-הגששים מחובר הגנרטור תדר¹.
6. להגדיר שהתדירות ואת המתח דולקים הגנרטור תדר. בניסוי זה, השתמש DEP אות מתח של 10 V שיא אל שיא sinewave של 1 מגה-הרץ.
   הערה: להגדיל את התדירות עד 20 מגה-הרץ יכול לעזור לאסוף nanowires עם מוליכות גבוהה ההשמנה נמוך צפיפות^1,2. ראה התייחסות¹ עבור דיון מפורט. טווח תדר של אות ה-DEP שצוין כאן הושג על-ידי ניצוח SFLS Si nanowires ספקטרוסקופיה ו אוסף זמן ניתוח אימפדנס, כפי שמתואר אסמכתא¹. סוגים אחרים של nanowires עם הניידות הספק תשלום גבוה או נמוך, מסטול nanowires, או nanowires מתקבל על ידי שיטות גידול אחרות יכול להיות שונה DEP אות תדר בטווח והתוצאה היא האוסף של nanowires באיכות גבוהה.
7. הבורר-שעל הגנרטור תדירות ושחרר כ 10 µL של ננו-חוט פתרון באמצעות micropipette אל אזור ההתקן.
   הערה: הצבת המדגם בזווית (30 מעלות) מסייעת ליצור זרם איטי בסיוע הכובד של הנוזל. לחלופין, נימיות סלייד זכוכית ניתן להשתמש⁶.
8. להחיל את ה-DEP אות עבור 30 s וואז בורר את הגנרטור תדר.
9. הסר את הדגימה ולשטוף בעדינות עם IPA.
10. המדגם בעדינות באמצעות אקדח חנקן יבש-off. מיקרוסקופ אופטי מקוטב עשוי לשמש כדי לבחון את הדגימה ולכוונן פרמטרים
    הערה: המתח אות ' מניעת ביצוע נתונים ', ו את דחיסות נפיצה nanowire יכול להיות מותאם כדי להשיג צפיפות הרצוי לשחזור של nanowires, מן nanowires כמה עד כמה מאות לכל התקן^1,2.

5. התצהיר של שכבת מתכת משני

1. כדי להשיג משופרת נוכחי הזרקת ב NW FETs, החל איש קשר מתכתי נוסף על גבי ננו-חוט.
   הערה: תהליך זה בתצהיר קשר בעקבות הפעולות בדיוק כמו סעיפים 2 ו- 3, פוטוליתוגרפיה והן התצהיר מתכת, חוץ מזה רק שכבת זהב משולמת לזכאים.

6. אני-V אפיון התקני ננו-חוט

הערה: הדגימות הושלמו, וניתן להשתמש בניסויים הבאים או המאפיינים שלהם-V ניתן למדוד להקים nanowire FET תכונות חשמליות. ההתקנים מפוברק הם ממותגת בחזרה FETs, שבו פרוסות סיליקון מסומם משמש השער נפוצות, שכבה₂ SiO משמש חומר דיאלקטרי השער.

1. ליצור קשר חשמלי עם השער, להסיר את אזור קטן של תחמוצת סיליקון בקצה של המדגם באמצעות גם יהלום.
2. להשתמש באקדח חנקן כדי להסיר את כל החלקיקים רצויה צורן דו-חמצני.
3. במקום שלושה microprobes (מקור ניקוז, שער) על מקור זהב-ניקוז אלקטרודה עם אנשי הקשר עם החללית שער על האזור עם SiO שהוסר₂.
4. השתמש מערכת איפיון מוליכים למחצה כדי לקחת מידות-V.
5. למדוד סריקות העברה והפלט של NW FETs כמו אלה לתת מידע על הביצועים של המכשיר, מאפייני^17,1,23nanowires חשמלית. שימו לב כי העברת מדידות לערב מתח המקור-ניקוז דריכה ומתח שער באופן גורף. המאפיינים פלט נמדדים על ידי גורף מתח המקור-ניקוז לדרוך השער מתח.

תוצאות

תוצאות פוטוליתוגרפיה bilayer על נקי מוגדרים בחדות אלקטרודות. בדוגמה (איור 1 א'), שימש מבנה האצבע הבין-digitated באורך ערוץ 10 מיקרומטר. מבנים אלה מאפשרים שטח גדול להרכיב את המספר המרבי של nanowires כאשר הכוח DEP מוחל. איור 1B מראה סכימטי של מכשיר nanowire FET התחת...

Discussion

ייצור מוצלח והביצועים של המכשירים תלויים במספר גורמים מרכזיים. אלה כוללות nanowire צפיפות, התפלגות ניסוח, הבחירה של הממס, התדירות של DEP את הפקד של מספר nanowires הנוכחי אלקטרודות מכשיר¹.

אחד השלבים הקריטיים להשגת הדיר עובדת מכשירי הוא הכנת ניסוח nanowire ללא אשכולות או גושי?...

Materials

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