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-חלקיק1 ,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 RF4,5, 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 חיידקים9,10 , 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, גמיש6,12,13.
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 ה15,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
Representative Results
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?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצה להודות ESPRC מערכות BAE עבור תמיכה כספית, ו פרופסור. בריאן א Korgel וחבורתו לאספקת SFLS גדל nanowires סיליקון להשתמש בעבודה זו.
Materials
| 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 (A) Microposit MF319 (100ml) | Microchem | – | http://microchem.com/products/images/uploads/MF_319_Data_Sheet.pdf |
| Photoresist remover (A) Microposit remover 1165 (300ml (2 baths 150 each)) | Microchem | – | http://micromaterialstech.com/wp-content/dow_electronic_materials/datasheets/1165_Remover.pdf |
References
- Constantinou, M., Rigas, G. P., et al. Simultaneous Tunable Selection and Self-Assembly of Si Nanowires from Heterogeneous Feedstock. ACS Nano. , (2016).
- Constantinou, M., Hoettges, K. F., et al. Rapid determination of nanowires electrical properties using a dielectrophoresis-well based system. App. Phy. Lett. 110 (13), 1-6 (2017).
- Huang, H., Lee, Y. C., Tan, O. K., Zhou, W., Peng, N., Zhang, Q. High sensitivity SnO2 single-nanorod sensors for the detection of H2 gas at low temperature. Nanotech. 20 (11), 115501 (2009).
- Rutherglen, C., Jain, D., Burke, P. Nanotube electronics for radiofrequency applications. Nat. nanotech. 4 (12), 811-819 (2009).
- Kang, M. G., Hwang, D. H., Kim, B. S., Whang, D., Hwang, S. W. RF characterization of germanium nanowire field effect transistors. AIP Conf. Proc. 1399 (2011), 319-320 (2011).
- Collet, M., Salomon, S., et al. Large-scale assembly of single nanowires through capillary-assisted dielectrophoresis. Adv. Mat. 27 (7), 1268-1273 (2015).
- Pethig, R. Dielectrophoresis: Status of the theory, technology, and applications. Biomicrofluidics. 4 (2), (2010).
- Jones, T. B. . Electromechanics of particles. (2), (1995).
- El-Ali, J., Sorger, P. K., Jensen, K. F. Cells on chips. Nat. 442 (7101), 403-411 (2006).
- Doh, I., Cho, Y. H. A continuous cell separation chip using hydrodynamic dielectrophoresis (DEP) process. Sensrs. and Actrs, A: Phys. 121 (1), 59-65 (2005).
- Freer, E. M., Grachev, O., Duan, X., Martin, S., Stumbo, D. P. High-yield self-limiting single-nanowire assembly with dielectrophoresis. Nat. nanotech. 5 (7), 525-530 (2010).
- Monica, A. H., Papadakis, S. J., Osiander, R., Paranjape, M. Wafer-level assembly of carbon nanotube networks using dielectrophoresis. Nanotech. 19, 85303 (2008).
- Raychaudhuri, S., Dayeh, S. A., Wang, D., Yu, E. T. Precise semiconductor nanowire placement through dielectrophoresis. Nano Lett. 9 (6), 2260-2266 (2009).
- Schmidt, V., Riel, H., Senz, S., Karg, S., Riess, W., Gösele, U. Realization of a silicon nanowire vertical surround-gate field-effect transistor. Small. 2 (1), 85-88 (2006).
- Hanrath, T., Korgel, B. A. Supercritical fluid-liquid-solid (SFLS) synthesis of Si and Ge nanowires seeded by colloidal metal nanocrystals. Adv. Mat. 15 (5), 437-440 (2003).
- Heitsch, A. T., Akhavan, V. A., Korgel, B. A. Rapid SFLS synthesis of Si nanowires using trisilane with in situ alkyl-amine passivation. Chem. of Mat. 23 (11), 2697-2699 (2011).
- Constantinou, M., Stolojan, V., et al. Interface Passivation and Trap Reduction via a Solution-Based Method for Near-Zero Hysteresis Nanowire Field-Effect Transistors. ACS App. Mat. and Intf. 7 (40), 22115-22120 (2015).
- Kim, T. H., Lee, S. Y., et al. Dielectrophoretic alignment of gallium nitride nanowires (GaN NWs) for use in device applications. Nanotech. 17 (14), 3394-3399 (2006).
- Boote, J., Evans, S. Dielectrophoretic manipulation and electrical characterization of gold nanowires. Nanotech. 16 (9), 1500-1505 (2005).
- Gierhart, B. C., Howitt, D. G., Chen, S. J., Smith, R. L., Collins, S. D. Frequency Dependence of Gold Nanoparticle Superassembly by Dielectrophoresis. Langmuir. 23 (19), 12450-12456 (2007).
- Klaine, S. J., Alvarez, P. J. J., et al. Nanomaterials in the environment: behavior, fate, bioavailability, and effects. Environ. tox. and chem. / SETAC. 27 (9), 1825-1851 (2008).
- van Tilburg, J. W. W., Algra, R. E., Immink, W. G. G., Verheijen, M., Bakkers, E. P. A. M., Kouwenhoven, L. P. Surface passivated InAs/InP core/shell nanowires. Semicond. Sci. and Tech. 25 (2), 24011 (2010).
- Krupke, R. Separation of Metallic from Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes. Sci. 301 (5631), 344-347 (2003).
