Fabricação fácil de canais de rede nanofios ZnO auto-montados e sua detecção UV controlada por portão

Resumo

Demonstramos uma maneira fácil de fabricar uma série de sensores UV controláveis por porta com base no transistor de efeito de campo (FET) de rede de óxido de zinco nanofio (ZnO NW). Isso foi realizado pela combinação de padronização programada de superfície molecular e montagem NW seletiva nas regiões polares evitando as regiões não polares, seguido por tratamento térmico a 300 ° C para garantir o contato estável entre NWs. Os dispositivos FET de rede ZnO NW mostraram características típicas do tipo n com uma relação liga-desliga de 10 ⁵ , transcondutância em torno de 47 nS e mobilidade em torno de 0,175 cm ² V ^{- 1} s ^{- 1} . Além disso, os dispositivos mostraram um comportamento fotorresponsivo à luz ultravioleta, que pode ser controlado pela tensão de porta aplicada. A fotorresponsividade foi considerada linearmente proporcional à tensão do canal V _ds , mostrando fotorresponsividade máxima em V _ds =7 V.

Histórico

Nanomateriais unidimensionais são bem conhecidos por terem várias vantagens sobre outros tipos de filme ou materiais volumosos devido à sua área de superfície específica elevada, estruturas de cristal uniformes bem orientadas e caminhos de transporte de carga direcionado que permitem alto desempenho do dispositivo e fácil fabricação do dispositivo [1 , 2]. Em particular, devido à sua dimensionalidade única, nanofios semicondutores (NWs) têm sido utilizados em diversas aplicações, como conversão de energia, memória, dispositivos ópticos e sensores [3,4,5,6,7,8,9]. Entre eles, óxido de zinco (ZnO) NWs têm mostrado excelentes características semicondutoras com grande banda direta de 3,37 eV e alta energia de ligação de exação de 60 meV em temperatura ambiente [10]. Além disso, o ZnO é conhecido por ser ecologicamente correto, naturalmente abundante e de baixo custo de produção [11]. Assim, o ZnO tem sido aplicado a uma ampla variedade de campos, incluindo diodos emissores de luz [12, 13], diodos de laser [14], células solares [15,16,17,18], fotodetectores [19,20,21,22 , 23], transistores de efeito de campo transparentes [24,25,26], geradores [27, 28] e sensores químicos [29, 30]. Enquanto isso, sensores UV baseados em ZnO NWs foram demonstrados [31,32,33], mas os dispositivos eram difíceis de fabricar. Esses métodos de fabricação de dispositivos de rede ZnO NW geralmente incluem filmes de revestimento ZnO NW depositados com eletrodo seguidos por um processo de corrosão para definir o canal. Este método é difícil de controlar as dimensões físicas, como o ajuste da largura do canal de ZnO. Para superar esses problemas, um método de crescimento hidrotérmico de ZnO NW em camadas pré-padronizadas foi estudado, mas processos adicionais de corrosão e / ou crescimento hidrotérmico são necessários. Atualmente, os métodos de padronização de nanofios de ZnO propostos, como o crescimento seletivo induzido por laser [34, 35] ou o crescimento hidrotérmico de ZnO NWs com aquecedores localizados [36], envolvem processos de alto custo e alta temperatura. Há também um caso em que uma rede de nanofios ZnO crescida verticalmente é usada para usar redes de nanofios alinhados com controlabilidade das propriedades do dispositivo [37], mas isso também requer muito esforço para exigir equipamento de vácuo, como CVD e não é adequado para grande área e baixo custo de produção. Algum processo de baixa temperatura com produção de baixo custo baseado em impressão por microcontato [38] ou impressão a jato de tinta foi sugerido [39], mas o controle da densidade NW e propriedades correspondentes do dispositivo ainda permanecem como um desafio.

Neste trabalho, demonstramos um método altamente reprodutível e fácil para fabricar matrizes de sensores UV controlados por porta com base no transistor de efeito de campo de rede ZnO NW (FET) usando automontagem em substratos com padrão molecular e tratamento térmico. Os canais de rede ZnO NW têm um rendimento de dispositivo de 90% com valores médios de resistência de algumas centenas de kΩ. Acredita-se que o pós-tratamento térmico tenha o efeito de remover os solventes orgânicos residuais e aumentar o contato elétrico entre os NWs. Os dispositivos FET baseados em ZnO NW mostraram propriedades do tipo n com uma relação liga-desliga de 10 ⁵ , transcondutância em torno de 47 nS e mobilidade em torno de 0,175 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . As propriedades físicas podem ser controladas alterando as condições de montagem NW, como padrão molecular, densidade NW em solução, velocidade de extração e assim por diante. Finalmente, realizamos com sucesso matrizes de sensores ZnO UV com fotorresponsividade e tempo de resposta controláveis pela tensão de porta aplicada. A tensão de porta negativa aplicada ao FET tipo n minimizou a corrente inicial devido ao esgotamento do canal ZnO NW. Na verdade, a fotorresponsividade máxima à luz ultravioleta foi encontrada na tensão do portão abaixo de - 55 V e as fotorresponsividade foram consideradas proporcionais à tensão do canal V _ds , mostrando fotorresponsividade máxima em V _ds =7 V. Além disso, a tensão de porta negativa facilitou a recuperação do dispositivo após a exposição à luz ultravioleta. Deve-se notar que, embora relatórios anteriores sobre dispositivos de rede ZnO NW tenham sido relatados [34, 35], nossos dispositivos ZnO NW têm estruturas ZnO NW com largura e espessura de canal controláveis sem o uso de qualquer processo químico ou de plasma. Este processo suave combinado com tratamento térmico abaixo da temperatura de recristalização de ZnO (~ 400 ° C) resultou na fabricação fácil em larga escala de sensores UV controlados por porta com alta relação liga-desliga e fotorresponsividade. Esperamos que nosso processo e desempenho de dispositivo acelere o processo de comercialização de aplicativos baseados em ZnO NW.

Métodos

Fabricação de FET de rede ZnO NW

ZnO NWs de comprimento 2 ~ 3 μm e diâmetro de 200 nm foram adquiridos da Sigma-Aldrich, Inc., EUA. Os NWs foram dispersos para concentração de 1% em peso em diclorobenzeno (DCB) por sonicação por 3 s. Para preparar os substratos com padrão molecular, fotorresiste (AZ 5214E) foi padronizado em substrato de SiO2 (SiO2 de 300 nm de espessura em pastilha de Si dopada com p de 500 μm de espessura) pelo método típico de fotolitografia. Em seguida, o substrato foi mergulhado em 1:500 v / v octadeciltriclorossilano (OTS) em hexano cerca de 3 min [40]. Durante este processo, uma monocamada de moléculas OTS foi auto-montada na superfície do SiO exposto ₂ região para criar uma região OTS não polar. Após o tratamento OTS, o substrato foi imerso em acetona por 2 min para remover a região protegida pelo fotorresiste, expondo o SiO polar ₂ regiões nas quais os ZnO NWs devem ser montados. As monocamadas OTS automontadas têm terminação em metila, o que a torna uma região apolar. Por outro lado, a superfície do SiO2 funciona como uma região polar de seus grupos hidroxila (OH). Para a montagem de ZnO NW, o substrato foi mergulhado na solução NW e puxado a uma velocidade de tração controlada no intervalo 0,5 ~ 10 mm min ⁻¹ . A solução de ZnO NW foi agitada com uma barra magnética durante o processo de tração a 100 rpm para evitar a agregação e precipitação de NW. Conforme o substrato foi puxado, a evaporação prosseguiu mais rapidamente perto da interface ar-suspensão-substrato, resultando na adsorção seletiva de ZnO NWs no SiO polar ₂ região devido à força de van der Waals, evitando as regiões OTS não polares. Após a montagem do ZnO NW no substrato, os eletrodos (Ti / Al, 10/300 nm) foram depositados por deposição térmica, seguida do processo de lift-off.

Processo de tratamento térmico

O tratamento térmico foi realizado a 1 Torr de pressão em Ar ambiente dentro de um forno. A temperatura foi elevada para 110 ° C durante 3 min e mantida constante durante 10 min para evaporar quaisquer solventes remanescentes. Em seguida, a temperatura foi elevada para 300 ° C durante 3 min e mantida constante por 10 min para melhorar a interface inter-NW e reduzir as barreiras potenciais e a resistência de contato entre os NWs [41]. Em seguida, a amostra foi resfriada até a temperatura ambiente por 1 he então retirada do forno.

Medição das propriedades elétricas e fotorrespostas de FETs de rede ZnO NW

As propriedades elétricas, como características I – V e propriedades de porta, foram medidas usando uma estação de sonda equipada com um analisador de parâmetros de semicondutor (4200A-SCS, Keithley, EUA). A tensão fonte-dreno foi varrida de 0 V a 7 V. A tensão da porta foi varrida de - 60 V a + 60 V. A partir das características I-V dependentes da porta, calculamos os valores de transcondutância e mobilidade [42, 43] . Para evitar quaisquer efeitos ambientais na resistência dos canais NW, a temperatura e a umidade relativa do ar foram mantidas constantes em 23 ± 1 ° C e 35 ± 1%, respectivamente, durante as medições. Para medição de fotorresposta UV, a tensão fonte-dreno V _ds foi mantida a 7 V. A fonte de UV foi uma lâmpada UV portátil (Spectroline ENF-260C / FE, EUA) com um comprimento de onda de excitação de 365 nm e densidade de potência de 350 μW cm ⁻² .

Resultados e discussão

A Figura 1 mostra o diagrama esquemático que descreve a preparação de canais de rede de ZnO NW de percolação e subsequente tratamento térmico. Primeiro, um substrato com padrão OTS foi mergulhado na suspensão ZnO NW (1% em peso em diclorobenzeno) e puxado da suspensão ZnO NW usando um sistema de tração feito em casa em diferentes velocidades de tração de 0,5 mm min ⁻¹ a 10 mm min ⁻¹ (Arquivo adicional 1:Figura S1). Durante o processo de extração, um menisco líquido contendo ZnO NWs foi arrastado contra o substrato com padrão OTS. Os ZnO NWs montados exclusivamente no SiO exposto ₂ regiões do canal. Conforme mostrado na inserção da Fig. 2a, um total de 100 dispositivos foram fabricados em wafers de 4 pol. Usando nosso método de fabricação. A Figura 2a mostra a imagem óptica de um canal de rede ZnO NW percolado e a inserção mostra a matriz de dispositivo FET. O diâmetro médio de um ZnO NW foi de 200 nm, o comprimento de NW foi de 2 ~ 3 μm, o comprimento e a largura do canal foram de 6 μm e 20 μm, respectivamente. Após a montagem do ZnO NW, os eletrodos fonte-dreno foram confeccionados pela técnica convencional de fotolitografia, deposição térmica do metal (Ti 10 nm, Al 300 nm) e processo de lift-off.

Diagrama esquemático do procedimento de fabricação da rede ZnO NW FET. Montagem de ZnO NWs em substratos com padrão molecular usando processo de tração

Formação de canal e controle de espessura de dispositivos FET de rede ZnO NW. a Imagem ótica ampliada de um canal de rede NW de 6 μm de comprimento e eletrodos de Al. A inserção é uma micrografia óptica de dispositivos de matriz 10 × 10 com canais micro-padronizados. b Imagens de microscópio eletrônico de varredura (SEM) mostrando a montagem seletiva de ZnO NWs para padrões de linha com larguras de linha diversas de 5, 10 e 20 μm. c Imagem AFM da rede ZnO NWs. d Distribuição média de altura vs velocidade de extração em diferentes velocidades de extração de 0,5 ~ 10 mm min ⁻¹ . A inserção mostra o perfil de altura AFM para diferentes velocidades de tração de 0,5, 2, 10 mm min ⁻¹

Conforme mostrado na Fig. 2b, fomos capazes de obter padrões ZnO NW com diversas larguras de linha de 5, 10 e 20 μm alterando o SiO ₂ tamanho do padrão da região. As regiões OTS circundantes são apolares devido aos terminais metil das moléculas OTS. Acredita-se que os NWs sejam adsorvidos apenas no SiO polar ₂ regiões por interação de van der Waals [40]. A montagem seletiva de ZnO NWs também foi confirmada com espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS) (ver arquivo adicional 1:Figura S2). Aqui, os sinais de Zn foram confinados às regiões com ZnO NWs.

As propriedades físicas dos canais de rede ZnO NW percolados, como espessura e densidade, foram controladas pela modulação da velocidade de extração do substrato da solução NW durante a montagem NW. A Figura 2c mostra as imagens AFM (microscopia de força atômica) de redes ZnO NW montadas em diferentes velocidades de tração de 0,5, 2 e 10 mm min ⁻¹ . O perfil de altura média vs velocidade de tração é mostrado na Fig. 2d. A densidade NW era de 1,21 NW μm ⁻² na velocidade de extração 0,5 mm min ⁻¹ , e 0,09 NW μm ⁻² a 10 mm min ⁻¹ . A espessura do canal NW aumentou reduzindo a velocidade de tração. A altura do canal NW era geralmente cerca de 1,5 ~ 2 vezes maior do que o diâmetro único NW médio de 200 nm na taxa de velocidade mais lenta 0,5 mm min ⁻¹ (Fig. 2d, inserção). Na velocidade de extração de 10 mm min ⁻¹ , a conexão de rede atingiu o limite de percolação, além do qual a rede não apresentou conexão. Os métodos atuais de fabricação de dispositivos de rede ZnO NW geralmente envolvem a deposição de eletrodo de filme revestido com ZnO NW, seguido de algum tipo de processo de corrosão para definir os canais [38, 39]. Este método é difícil de controlar as dimensões físicas, como o ajuste da largura do canal de ZnO. Para superar esses problemas, um método usando crescimento hidrotérmico de ZnO NWs em camadas pré-padronizadas foi estudado [44, 45], mas também requer processo de corrosão adicional e / ou processos de crescimento hidrotérmico que levam tempo e custo. Em contraste, nosso método pode controlar facilmente a largura e o comprimento de um canal, previamente padronizando o canal com moléculas OTS e, em seguida, montando os NWs por meio de um sistema de tração.

As propriedades elétricas também podem ser controladas pela modulação da velocidade de tração. A Figura 3 mostra as propriedades elétricas antes do tratamento térmico. A Figura 3a mostra a mudança das características I – V com diferentes velocidades de tração. Quando a velocidade de extração foi diminuída de 2 para 0,5 mm min ⁻¹ , a corrente inicial aumentou de 5 para 50 nA em 1 V. Isso provavelmente se deve ao aumento da conectividade de rede com aumento da densidade NW no canal. As curvas características I – V dependentes de porta típicas de um ZnO NW FET fabricado a 2 mm min ⁻¹ a velocidade de tração é mostrada na Fig. 3b, c. A Figura 3b exibe as características I – V em diferentes tensões de porta V _g valores (de - 60 V a 60 V em etapas de 20 V). O eu _ds - V _g as características da porta na Fig. 3c mostram características típicas do tipo n com uma razão liga-desliga aumentada em cinco ordens de magnitude da corrente desligada de 3 pA a 556 nA e diminuiu a corrente desligada quando a velocidade de extração foi aumentada de 0,5 para 2 mm min ⁻¹ (consulte o arquivo adicional 1:Figura S3). Este aumento da razão on-off com a diminuição da densidade do filme pode ser explicado observando que o canal é mais afetado pelo campo elétrico da porta traseira conforme tornamos o canal NW mais fino [46]. Além disso, a velocidade de extração tem um efeito no rendimento do dispositivo e na distribuição de frequência de resistência de duas sondas (Arquivo adicional 1:Figura S4). A resistência mostra o valor médio de 28,2 ± 4 MΩ e rendimento de ~ 92% a 0,5 mm min ⁻¹ . No entanto, a distribuição muda para 877 ± 280 MΩ e rendimento de ~ 78% em 2 mm min ⁻¹ puxando velocidade. Aqui, o rendimento é definido como a fração do número de dispositivos com valores de resistência mensuráveis acima do ruído do equipamento.

Conectividade e propriedades elétricas da rede ZnO NW pelo controle da velocidade de extração. a Propriedades elétricas do FET da rede ZnO NW de velocidade de extração 0,5 e 2 mm min ⁻¹ . Características típicas de corrente-tensão de dispositivos fabricados em diferentes velocidades de tração de 0,5 e 2 mm min ⁻¹ . Os canais de rede mostraram contato Schottky de - 1 a 1 V. As inserções são imagens SEM do canal de rede em 0,5 (canto superior esquerdo) e 2 (canto inferior direito) mm min ⁻¹ . As barras de escala são de 10 μm para ambos os casos. b Características da tensão atual de várias tensões back-gate. V _g variou de - 60 V a 60 V em etapas de 20 V. c eu _ds vs V _g relações do canal de rede ZnO NWs fabricado em vários V _ds . V _ds variou de 0 a 7 V em etapas de 1 V

Aqui, a característica da porta do FET não tem um regime de saturação limpo. De acordo com relatórios anteriores, a rede ZnO NW não exibiu regime de saturação limpo, possivelmente devido ao aumento do espalhamento de portadores por caminho de rede NW complexo, grande área de superfície e contornos de grão em junções NW [47]. Nossa rede ZnO NW forma vários caminhos entre uma fonte e um dreno. Além disso, canal de rede ZnO NW com uma espessura de até cerca de 0,4 μm (Fig. 2d). A espessura não uniforme do nanofio causa distâncias diferentes para a porta de cada nanofio, e o grau de modulação é ligeiramente diferente. Portanto, a característica FET não tem um regime de saturação limpo como um FET de nanofio único.

As propriedades elétricas dos dispositivos conforme produzidos podem ser aprimoradas pelo processo de tratamento térmico subsequente para melhorar a uniformidade nas propriedades elétricas e diminuir ainda mais a resistência de contato entre os NWs [41]. O tratamento térmico foi realizado em condições de baixa pressão a 300 ° C por 10 min enquanto fluía gás Ar a 100 sccm (consulte o arquivo adicional 1:Figura S5). A Figura 4 mostra a alteração da propriedade elétrica das amostras fabricadas a 2 mm min ⁻¹ puxando velocidade. Após o tratamento térmico, a corrente de polarização de 1 V aumentou de 600 nA para 6,5 μA (Fig. 4a). A distribuição de frequência de resistência na Fig. 4b mostra uma queda da resistência média de 877 ± 280 MΩ para 207 ± 37 kΩ, cerca de 3 ordem de magnitude. Além disso, o rendimento do dispositivo aumentou de 78 para 90%, presumivelmente devido ao contato elétrico aprimorado entre NWs. Nós nos concentramos em usar as vantagens do aprimoramento da conexão NW por meio de tratamento térmico. Por este motivo, a temperatura não foi elevada a mais de 400 ° C onde o ZnO recristaliza. Foi relatado que tal recristalização afeta as características de dessorção e adsorção de oxigênio na superfície de ZnO durante a iluminação UV [41]. Portanto, a fim de se obter apenas a melhoria da ligação entre os NWs por meio do tratamento térmico, foi realizado tratamento térmico até 300 ° C para melhorar a interface entre os NWs. Isso resultou no aumento da estabilidade e características elétricas. Acreditamos que nosso processo de tratamento térmico pode remover as moléculas adsorventes como umidade ou hexametilenotetramina (HMTA), uma vez que nossa temperatura de processo é superior ao ponto de fusão do HMTA (290 ° C). Isso resultou na melhoria do desempenho do NW FET porque melhora a junção entre os NWs e remove outras moléculas adsorventes que degradam o desempenho dos NWs, como a umidade.

Propriedades elétricas da rede ZnO NWs após tratamento térmico. a Características típicas de corrente-tensão antes e depois do recozimento da velocidade de extração 2 mm min ⁻¹ . Os canais da rede mostraram comportamento de contato Schottky. (inserção) Características I – V antes do recozimento, ampliadas. b Distribuição de frequência de resistência da rede ZnO NWs puxada a uma velocidade de 2 mm min ⁻¹ . A resistência média diminuiu por cerca de três ordens. ( c ) Características I – V em diferentes tensões de porta traseira. V _g variou de - 60 V a 60 V em etapas de 20 V. d Propriedades elétricas de I _ds vs V _g após o tratamento térmico. e Comparação de I / eu _desligado proporção em V diferente _g valores, antes e depois do tratamento térmico ( V _g etapa =5 V). f Transcondutância melhorada por tratamento térmico

O típico eu _ds - V _ds e eu _ds - V _g curvas características de um ZnO NW FET são mostradas na Fig. 4c, d. A Figura 4e mostra que eu _ds - V _g curvas características são semelhantes antes e depois do tratamento térmico, e o máximo I _em / I _desligado a proporção é de ~ 2 × 10 ⁵ . Isso indica que o tratamento térmico apenas melhora a conexão entre os NWs para diminuir a resistência e não causa alteração nas propriedades elétricas intrínsecas. A Figura 4f mostra a melhoria da transcondutância dI _ds / dV _g após o tratamento térmico, o que pode ser atribuído à maior mobilidade de elétrons no dispositivo ZnO NW. A transcondutância máxima ( g _m =dI _ds / dV _g ) foi extraído da inclinação máxima do I _ds - V _g características e a relação liga-desliga máxima a 7 V de V _ds . (Arquivo adicional 1:Figura S6). A transcondutância máxima calculada foi de ~ 47 nS em V _g =- 30 V. Usamos a fórmula μ = g _m · L / ( W · C _d · V _ds ) para o cálculo da mobilidade estimada [48]. A mobilidade foi calculada em 0,175 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Isso é comparável aos valores relatados anteriormente de 0,018 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ usando a matriz de dispositivo ZnO NWs [49].

Finalmente, observamos a fotorresposta UV dos FETs da rede ZnO e sua dependência da tensão da porta. A Figura 5a mostra as características I – V com iluminação UV em uma tensão de porta diferente (de -60 V a 60 V, em etapas de 20 V). O eu _ds -V _g características sob iluminação UV na Fig. 5b mostram uma diminuição da razão liga-desliga. A luz ultravioleta teve o efeito de aumentar a corrente de desligamento do dispositivo FET tipo n criando um portador fotoexcitado. A Figura 5c mostra a diferença de corrente medida para a condição de luz UV ligada e desligada. A fotorresponsividade UV ( I _leve / I _escuro :razão de fotocorrente para corrente escura) varia dependendo da tensão de porta aplicada e mostra o valor de razão máxima de 8,6 × 10 ⁵ em V _g - 55 V ou menos. A inserção da Fig. 5c mostra I _ds - V _g características com e sem iluminação UV quando V _ds =7 V ( V _ds -I _ds características mostradas no arquivo adicional 1:Figura S7). A Figura 5d mostra uma relação linear entre o I _leve / I _escuro e a relação atual on-off ( I _em / I _desligado ) O eu _em / I _desligado o aumento leva à melhora da fotorresponsividade aos raios ultravioleta. Para mostrar a melhoria com um aumento do valor atual V _ds , plotamos os dados da Fig. 5d como um valor liga-desliga de acordo com a corrente (inserção). Então, o V _g =- 60 V e V _ds =7 V condição era a condição ideal onde o I _leve / I _escuro a proporção foi máxima ao comparar antes e depois da iluminação UV.

Características de detecção de UV de ZnO NW FETs. a Características I – V sob iluminação UV em diferentes tensões de porta traseira. V _g variou de - 60 V a 60 V em etapas de 20 V. b Propriedades elétricas de I _ds vs V _g sob iluminação UV. c eu _lignt / eu _escuro como uma mudança na tensão da porta. Máximo I _lignt / eu _escuro foi obtido em torno de V g ~ - 55 V. Inserção, I _ds - V _g características sob iluminação UV e no escuro. d Relação linear entre a proporção foto / corrente escura ( I _lignt / eu _escuro ) e relação de corrente inicial on-off ( I _em / eu _desligado ) do ZnO NW FET. A inserção mostra o I inicial _em / eu _desligado proporção para vários V _ds . O máximo I _em / eu _desligado a proporção estava em V _ds =7 V. e Fotorresposta do fotodetector FET da rede ZnO NW com e sem iluminação UV no ar. A inserção mostra características de decaimento exponencial após a luz UV desligada. f Fotorresposta resolvida no tempo dos dispositivos de canal de rede ZnO NW gravados ligando e desligando a luz UV

eu _ds -V _g características sob luz ultravioleta mostraram que o transistor mudou de um estado semicondutor (Fig. 4c) para um estado condutor (acumulação) (Fig. 5b). Pode-se esperar que essa mudança aumente a concentração de portadores fotoexcitados a um nível degenerado sob luz ultravioleta [50]. O eu _leve / eu _escuro a proporção de nossos dispositivos era de cerca de 2 × 10 ⁴ , 10 e 6, em tensões de porta de - 60 V, 0 V e 60 V, respectivamente (Fig. 5e). Isso mostra que a fotorresposta UV pode ser ajustada pela tensão do portão. Como V _g diminuiu, a fotorresponsividade aumentou.

Comparamos o desempenho de fotorresposta de fotodetectores baseados em rede ZnO NW de outros estudos. Por exemplo, matrizes de nanofios de ZnO crescidas por CVD mostraram fotorresposta UV ( I _leve / eu _escuro ) de ~ 10 ⁴ [33, 51]. Em nosso caso, poderíamos alcançar uma responsividade do fotodetector semelhante de 2 × 10 ⁴ sem usar nenhum processo de alta temperatura e / ou alto vácuo. Outros estudos usando métodos como impressão a jato de tinta [47] ou nanofios alinhados verticalmente [52] mostraram níveis de fotorresposta de 10 ³ a 10 ⁴ , que são comparáveis ou ligeiramente inferiores ao nosso estudo (consulte o arquivo adicional 1:Figura S8). Além disso, nossa pesquisa mostra características controláveis por porta, o que é vantajoso para ajustar a sensibilidade do dispositivo de acordo com as condições de luz.

A resposta UV do ZnO NWs pode ser explicada pela modulação da região de depleção resultante da dessorção e adsorção de oxigênio [53]. A luz ultravioleta causa a dessorção dos íons de oxigênio adsorvidos na superfície do ZnO NW. A dessorção de oxigênio aumenta a espessura efetiva do canal, resultando em aumento da corrente através das NWs. Além disso, a redução da região de dessorção devido à dessorção de oxigênio pela luz ultravioleta diminui a altura da barreira de junção entre os NWs, o que torna a deriva do fluxo de corrente mais eficiente [54, 55]. Como nossos dispositivos exibiram comportamentos semicondutores do tipo n, a corrente escura foi minimizada em grandes V negativos _g . Portanto, a fotorresposta na tensão de porta negativa grande foi maximizada (consulte o arquivo adicional 1:Figura S9).

Além disso, a tensão da porta afeta o tempo de recuperação para o estado inicial quando a luz UV é desligada. O tempo de queda (decadência) quando V _g =- 60 V e + 60 V são 52 se 141 s, respectivamente, mostrando a diferença por três vezes (inserção, Fig. 5e). O tempo em que a corrente aumenta (tempo de subida) ou diminui (tempo de queda) de 10% a 90% é definido como o tempo de recuperação. O campo elétrico devido ao viés do portão afeta a possibilidade de recombinação de elétrons e lacunas no processo de absorção de moléculas de oxigênio que foram dessorvidas pela luz ultravioleta [56, 57]. Isso está envolvido no tempo de retorno ao estado inicial do dispositivo. Portanto, o tempo de recuperação pode ser retardado ou curto dependendo do campo elétrico. A Figura 5f mostra a fotorresposta repetitiva aplicando V _g =- 60 V. Isso mostra a fotorresposta resolvida no tempo dos dispositivos de canal de rede ZnO NW registrados ligando e desligando a luz UV. Confirmamos que não ocorre degradação da fotorresponsividade para respostas UV repetitivas.

Conclusões

Demonstramos um método de fabricação eficaz de matrizes de sensores UV controlados por porta usando ZnO NW FETs. Nossos dispositivos ZnO NW têm estruturas ZnO NW com largura e espessura de canal controláveis sem o uso de qualquer processo químico ou de gravação de plasma, este processo suave combinado com tratamento térmico abaixo da temperatura de recristalização de ZnO (~ 400 ° C) resultou na fabricação fácil em larga escala de portão -sensores UV controlados com alta relação liga-desliga e fotorresposta com um rendimento do dispositivo de 90%. Os sensores de UV de rede ZnO NWs fabricados mostram propriedades de porta tipo n com relação liga-desliga 10 ⁵ , transcondutância em torno de 47 nS e mobilidade em torno de 0,175 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Essas propriedades elétricas podem ser moduladas por parâmetros de processo no método de extração, como a velocidade de extração. As propriedades elétricas podem ser ainda mais aprimoradas com o método de tratamento térmico. Os dispositivos apresentam alta sensibilidade à luz ultravioleta, e a fotorresposta e o tempo de resposta podem ser controlados pela tensão do portão. Esperamos que nosso processo e desempenho de dispositivo acelere o processo de comercialização de aplicativos baseados em ZnO NW.

Abreviações

AFM:: Força atômica microscópica
DCB:: Diclorobenzeno
EDS:: Espectroscopia de raios-X de dispersão de energia
FET:: Transistor de efeito de campo
HMTA:: Hexametilenotetramina
NW:: Nanowire
OTS:: Octadeciltriclorosilano
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
ZnO:: Óxido de zinco

Um novo nanobiossensor magnetoelástico para detecção altamente sensível de atrazina Investigação da banda de energia em ZnO / β-Ga2O3 depositado na camada atômica (\ (\ overline {2} 01 \)) Heterojunções

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias