Características ópticas e elétricas de nanofios de silício preparados por corrosão eletrolítica

Resumo

Nanofios de silício (SiNWs) foram fabricados por corrosão sem eletrodos de um wafer de Si tipo n (100) em HF / AgNO ₃ . SiNWs alinhados verticalmente e de alta densidade são formados nos substratos de Si. Vários formatos de SiNWs são observados, incluindo redondo, retangular e triangular. A refletância máxima registrada dos SiNWs é de aproximadamente 19,2%, que é muito menor do que a do substrato de Si (65,1%). A refletância mínima dos SiNWs é de aproximadamente 3,5% na região do UV próximo e 9,8% nas regiões do visível ao IR próximo. A energia do intervalo de banda calculada dos SiNWs é ligeiramente maior do que a do substrato de Si. O eu - V as características de um SiNW independente mostram um comportamento ôhmico linear para uma polarização direta de até 2,0 V. A resistividade média de um SiNW é de aproximadamente 33,94 Ω cm.

Histórico

As propriedades físicas dos nanomateriais são significativamente diferentes daquelas de suas contrapartes a granel e dependem principalmente de seu tamanho e forma. Por exemplo, o silício bruto emite uma fotoluminescência infravermelha fraca porque possui um gap indireto [1]. Este gap indireto evita a recombinação radiativa interband eficiente. Portanto, estruturas unidimensionais (1D), como os nanofios de silício (SiNWs), são introduzidas, pois são capazes de emitir de forma eficiente por fotoexcitação devido aos efeitos do tamanho quântico. Nas dimensões confinadas dos nanomateriais, o movimento limitado dos elétrons contribui para um aumento nas propriedades elétricas de seus dispositivos [2].

A formação de nanoestruturas de Si 1D fornece novas propriedades de dispositivo, como transporte de carga eficiente e propriedades ópticas controláveis. SiNWs são candidatos promissores para nanoeletrônica do futuro e especialmente dispositivos optoeletrônicos devido às suas notáveis propriedades elétricas, optoeletrônicas e mecânicas [3, 4]. Portanto, uma grande quantidade de pesquisas tem sido focada na utilização de SiNWs em uma ampla gama de aplicações [5].

Existem vários métodos para fabricar SiNWs, incluindo abordagens de cima para baixo e de baixo para cima. No entanto, todos esses métodos têm suas próprias vantagens e desvantagens. Entre os vários métodos, o método mais comum é um mecanismo de crescimento de vapor-líquido-sólido (VLS), que foi proposto pela primeira vez por Wagner em 1960 durante seus estudos de grande crescimento de bigode monocristalino [6]. Desde então, muitos pesquisadores têm fabricado SiNWs usando deposição química de vapor (CVD) [7, 8], ablação a laser [9], evaporação térmica [10] e epitaxia por feixe molecular [11]. No entanto, essas técnicas de baixo para cima geralmente requerem equipamentos complexos, alta temperatura, alto vácuo e precursores de silício perigosos, os quais aumentam drasticamente o custo dos processos. Além disso, a produção de SiNW em grandes áreas não é possível devido às limitações nas configurações de crescimento utilizadas [12]. Portanto, um método simples, a saber, o método de ataque químico, foi proposto como um método sintético promissor. A primeira introdução de corrosão química assistida por metal de Si foi relatada em 1997, onde o Si poroso foi fabricado por corrosão de um substrato de Si revestido de alumínio (Al) em uma solução composta de ácido fluorídrico (HF), HNO ₃ , e H ₂ O [13]. Desde então, muitos pesquisadores empregaram métodos semelhantes para fabricar matrizes de SiNW usando vários sistemas de solução de corrosão, como HF / AgNO ₃ ou HF / H ₂ O ₂ / AgNO ₃ [5, 12, 14,15,16,17,18,19,20].

A primeira parte deste trabalho enfoca a fabricação de SiNWs com as estruturas desejadas, como estruturas bem alinhadas, de alta densidade e de alta uniformidade em termos de tamanho, comprimento e distribuição. SiNWs foram fabricados por ataque químico de um wafer de Si em uma solução mista de ácido fluorídrico e nitrato de prata (HF / AgNO ₃ sistema). Durante a corrosão do wafer de silício, uma área seletiva é removida enquanto o resto é preservado e, portanto, estruturas de arame alinhadas verticalmente em escala nanoescala são formadas. Após o ataque químico, o precipitado de prata nos SiNWs deve ser removido completamente antes de prosseguir para os próximos processos. Isso ocorre porque o precipitado de prata pode atuar como uma barreira e influenciar as propriedades (especialmente as propriedades ópticas e elétricas) dos SiNWs. Finalmente, os SiNWs fabricados foram caracterizados quanto à sua microestrutura, composição elementar, morfologia e propriedades ópticas e elétricas.

Embora muitos pesquisadores tenham investigado as propriedades ópticas dos SiNWs, a maioria deles usa medições de transmitância para determinar a energia do gap. Neste trabalho, as propriedades ópticas dos SiNWs fabricados por ataque químico em HF / AgNO ₃ foram determinados a partir de medições de refletância. Além disso, as características elétricas dos SiNWs foram investigadas usando medições de microscopia de força atômica condutiva (AFM).

Métodos

Fabricação de SiNWs

Os SiNWs foram sintetizados pelo método de ataque químico assistido por metal usando wafers de silício dopados com fósforo com uma orientação (100) ou wafers de Si tipo n (100). A resistividade das bolachas variou de 0,75 a 1,25 Ω cm, com espessuras de 500–550 μm. Os wafers de Si foram fornecidos pela Siltronix Silicon Technologies, França. As bolachas foram então limpas sequencialmente por ultrassom em acetona, etanol, água desionizada e solução de piranha fervente (H ₂ SO ₄ :H ₂ O ₂ =4:1; v / v ) por 30 min. Os wafers limpos foram enxaguados com água desionizada e, por último, mergulhados em solução de HF por 20 s, seguido de lavagem com água desionizada para remover os óxidos nativos.

A solução de banho para o processo de corrosão química foi preparada pela mistura de uma solução de HF 5 M com um AgNO 0,01 M ₃ solução. HF foi fornecido por JT Baker, com pureza de 48%, grau CMOS. Além disso, AgNO ₃ foi fornecido pela QREC, com uma pureza de mais de 99%.

Os substratos de Si pré-limpos foram imersos na solução de corrosão preparada (ataque químico assistido por metal). A temperatura de condicionamento foi de 60 ° C, e o tempo de condicionamento foi de 60 min [21]. O processo de corrosão foi realizado em um recipiente de teflon selado dentro de uma hotte HF. Após o condicionamento, os substratos de Si foram rapidamente enxaguados várias vezes com água deionizada, seguido de limpeza ultrassônica por 15 min em 3 mol / L água régia solução para remover o depósito de prata da amostra. A solução de água régia é uma mistura de ácido nítrico (HNO ₃ ) e ácido clorídrico (HCl) em uma proporção de 1:3 em volume. As amostras foram enxaguadas novamente com água desionizada e secas. HNO ₃ , com pureza de 65%, foi fornecido pelo LABSCAN, e o HCl grau CMOS foi fornecido pela MERCK, na concentração de 12 mol / L.

Caracterizações

A microestrutura, morfologia e composição química das amostras foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (FESEM) equipada com espectrômetro de energia dispersiva de raios X (EDX) (Zeiss Supra 35 VP) e microscópio eletrônico de transmissão (TEM) (Philips CM12). Um espectrofotômetro PerkinElmer Lambda 35 ultravioleta-visível foi usado para investigar a refletância na faixa de 200–1100 nm. A topografia de superfície e as características elétricas dos SiNWs foram investigadas por AFM usando um Seiko SPI 3800N Series comercial com um microscópio SPA-300HV [22, 23]. eu - V medições nos pontos selecionados foram realizadas por AFM em modo de contato usando uma ponta de prova de AFM condutiva (revestida de ouro, ∅ _TIP ≈ 20 nm) aplicando uma tensão de polarização direta variando de 0 a 2 V à ponta do AFM.

Resultados e discussão

Microestruturas

A Figura 1 mostra as imagens SEM de (a) o substrato n-Si (100) pré-limpo antes do ataque e (b) o substrato n-Si (100) gravado a 60 ° C por 60 min em HF 5 M. O wafer de silício nu possui uma superfície lisa semelhante a um espelho, livre de contaminantes (Fig. 1a). A formação de estruturas mesoporosas foi detectada no substrato de Si gravado em solução de HF (Fig. 1b). O HF é bem conhecido como solução decapante para óxido de silício e, portanto, a formação de poros na superfície do Si pode ser devido ao ataque químico de seu óxido nativo. No entanto, a taxa de corrosão é muito lenta.

Imagens SEM de a o wafer de Si pré-limpo e b o wafer de Si gravado em 5 M HF sem AgNO ₃ solução

Os SiNWs foram formados com sucesso pelo ataque químico assistido por prata de um wafer de Si em uma solução contendo 5 M HF e 0,01 M AgNO ₃ a 60 ° C durante 60 min. A Figura 2 mostra a imagem SEM de um substrato após o processo de corrosão. Matrizes de SiNW alinhadas verticalmente foram formadas no substrato quando os íons de prata foram introduzidos na solução de ataque. Além de nanofios, dendritos de prata também foram encontrados nos SiNWs. Eles são depositados nas pontas dos fios ou na parte inferior do substrato.

Imagem SEM mostrando a formação de SiNWs com dendritos de prata após o processo de corrosão química (antes da limpeza da água régia)

A formação de silício poroso no estágio inicial da fabricação de SiNW em solução de corrosão de metal iônico é iniciada pela geração de orifícios. O aceitador de furo é assumido como sendo a ligação Si-H da superfície [24]. A corrosão de silício e a deposição de prata ocorrem simultaneamente na superfície do wafer de Si. Os átomos de prata depositados primeiro formam núcleos e depois formam nanoaglomerados distribuídos na superfície da pastilha de silício. Esses nanoclusters de prata e as áreas de Si ao redor desses núcleos de prata poderiam atuar como cátodos e ânodos locais, respectivamente, no processo de reação redox eletroquímica, que pode ser formulado como duas reações de meia-célula:
$$ \ mathrm {A} {\ mathrm {g}} ^ {+} + {\ mathrm {e}} ^ {-} \ to \ mathrm {A} \ mathrm {g} $$ $$ \ mathrm {S } \ mathrm {i} + 6 {\ mathrm {F}} ^ {-} \ to \ mathrm {S} \ mathrm {i} {{\ mathrm {F}} _ 6} ^ {2-} + 4 {\ mathrm {e}} ^ {-} $$
Numerosas células eletrolíticas autônomas em nanoescala foram espontaneamente montadas na superfície de Si. Durante a deposição de prata, os nanoclusters de prata, que agem como cátodos, foram preservados com sucesso, enquanto o silício circundante, que atua como ânodo, foi removido [12, 14, 25, 26].

A Figura 3 mostra micrografias SEM das matrizes de SiNW fabricadas por meio do método de corrosão sem eletrodos e após a limpeza em solução de água régia. Matrizes de SiNW de alta densidade podem ser observadas de diferentes vistas:vista de 45 ° (Fig. 3a), vista de cima (Figs. 3b, c) e seção transversal / vista lateral (Fig. 3d). Além disso, as matrizes de SiNW estão todas bem alinhadas na direção vertical, que segue a orientação do substrato do wafer de silício na direção (100). Conforme mostrado na vista em seção transversal dos SiNWs na Fig. 3d, a profundidade média de corrosão é de aproximadamente 20 μm, que corresponde ao comprimento dos SiNWs, enquanto o diâmetro está na faixa de 20 a 300 nm.

Imagens SEM de matrizes SiNW fabricadas por meio do método de corrosão sem eletrodos: a Visualização de 45 °, b , c vista superior, d seção transversal / vista lateral

Um modelo simples para a formação de SiNWs durante o ataque químico assistido por metal de prata de Si foi apresentado por Smith et al. [16]. Quando o Si está imerso em HF / Ag ⁺ solução, nanopartículas de prata nucleadas imediatamente e crescem rapidamente. Durante o estágio inicial de nucleação, as partículas hemisféricas individuais são essencialmente isoladas na superfície de Si e crescem independentemente. A nucleação e o crescimento da prata são processos altamente dinâmicos, permitindo que a prata se dissolva, se redeposite e / ou migre na superfície para locais mais energeticamente favorecidos. Outro mecanismo de formação abrangente de SiNWs porosos pela corrosão de wafers de Si em HF / AgNO ₃ foi proposto por Li et al. [18]. As estruturas porosas dentro dos SiNWs foram atribuídas à oxidação de Si induzida por nanopartículas de Ag. Verificou-se que a maior concentração de HF foi favorável para o crescimento de SiNWs, e a formação de SiNWs foi significativamente afetada pelo Ag ⁺ concentração de íons.

Li et al. [17] também relatou a fabricação de nanofios de silício poroso (PSiNWs) usando uma solução decapante de HF / H ₂ O ₂ / AgNO ₃ . Neste sistema, o H ₂ O ₂ espécie substitui Ag + como oxidante, e as nanopartículas de Ag funcionam como catalisadores durante a corrosão. Uma morfologia diferente de SiNWs foi encontrada, em que todo o nanofio estava coberto por numerosas estruturas porosas. Eles descobriram que a porosidade poderia ser controlada ajustando a concentração de H ₂ O ₂ [17].

No passado, foi especulado que a corrosão assistida por metal é isotrópica e que o metal nobre sempre catalisa a corrosão ao longo da direção vertical em relação à superfície do substrato [27,28,29]. Posteriormente, os experimentos revelaram que o ataque era predominantemente anisotrópico, pois o ataque não vertical ocorreu para os substratos (111) e (110), resultando em SiNWs inclinados e alinhados [30,31,32]. Esta corrosão anisotrópica ao longo de certas direções cristalográficas preferidas foi atribuída à teoria da quebra da ligação reversa [33, 34]. Durante a corrosão, é necessário quebrar as ligações reversas do átomo da superfície que se conecta aos átomos inferiores para que a reação de oxidação e dissolução na superfície seja ativada. O número de ligações reversas é determinado pela orientação cristalográfica do substrato [29]. Cada átomo na superfície do substrato (100) tem duas ligações traseiras, enquanto nas superfícies (110) e (111), cada átomo tem três ligações traseiras. Conseqüentemente, a fabricação de SiNWs em (100) substratos é mais fácil do que nos outros [35].

Composição Elemental

A Figura 4 mostra os resultados da análise EDX dos arranjos SiNW antes e depois da limpeza ultrassônica com solução de água régia. Os resultados mostram que os elementos contidos nas amostras são principalmente Si e Ag. A prata foi claramente depositada na ponta do fio, bem como no vale entre os fios após o processo de corrosão. Conforme mostrado na Fig. 4a, uma grande quantidade de prata (aproximadamente 11,04 em% Ag) foi detectada. No entanto, uma composição puramente de Si (100 a% Si) foi obtida após a limpeza em solução de água régia (Fig. 4b).

Resultados da análise EDX de matrizes SiNW após os processos de corrosão: a antes da limpeza da água régia (88,96 at.% Si e 11,04 at.% Ag) e b após a limpeza da água régia (100,00 at.% Si e 0,00 at.% Ag)

Tamanho e formato dos SiNWs

Conforme relatado anteriormente, a concentração mais adequada de condicionador é de 0,01 mol / L para AgNO ₃ e 5,0 mol / L para HF. No entanto, uma das principais preocupações desse método é que os nanoaglomerados de prata formados tendem a se depositar aleatoriamente na superfície do substrato de Si. Este fenômeno contribui para a dificuldade em ajustar a uniformidade, alinhamento, comprimento e diâmetro dos nanofios fabricados. Além disso, os nanoaglomerados de prata depositados na superfície do wafer de Si apresentam vários tamanhos e formatos, pois os caminhos aleatórios para entrar em contato com a semente selecionada permitem que as partículas se difundam e se fixem na estrutura formada. Isso levou à formação de matrizes SiNW com tamanho e formato não uniformes [5, 12, 15,16,17,18,19,20, 28, 36,37,38].

Em geral, as morfologias das estruturas de Si gravadas sem eletrodos são definidas pela forma dos depósitos do catalisador Ag. Partículas de Ag bem separadas geralmente resultam em poros bem definidos, enquanto as estruturas gravadas podem evoluir dos poros para estruturas semelhantes a paredes ou arame quando as partículas de Ag são depositadas em feixes [29]. Em outras palavras, a atividade catalítica do íon Ag é determinada pelas facetas expostas. Assim, é razoável que a estrutura do nanofio não produzisse um único fio individual nem uma estrutura semelhante a uma parede, mas uma mistura de ambos.

A Figura 5 mostra a morfologia dos SiNWs. A análise de TEM foi realizada em SiNWs pré-removidos do substrato. Os resultados mostram que o tamanho (diâmetro) dos SiNWs está na faixa de 20 a 200 nm (Fig. 5a). Várias formas de SiNWs foram encontradas, incluindo formas redondas (Fig. 5b), formas retangulares (Fig. 5c) e formas triangulares (Fig. 5d). A variação da forma dos produtos SiNW se deve à formação não homogênea de depósitos de prata na superfície do substrato de Si. O tamanho e a forma dos SiNWs podem ser bem controlados controlando a forma geométrica, o tamanho e as posições dos cátodos locais (nanoclusters de prata). Isso pode ser conseguido por meio de corrosão sem eletrodos usando um modelo adequado, como uma monocamada de esferas de poliestireno [39]. Os resultados são semelhantes à formação de estruturas em favo de mel ordenadas durante a anodização [40, 41].

Imagens TEM de SiNWs soltos: a pacote de SiNWs com vários tamanhos e formas, b SiNW redondo, c SiNW de forma retangular e d SiNW de forma triangular

Propriedades ópticas

A fabricação de SiNWs é uma técnica de modificação de superfície que visa minimizar a reflexão da luz incidente e aumentar ao máximo a absorção. A partir das observações, os SiNWs no substrato de Si têm aparência negra em comparação com o wafer de Si nu, que tem uma superfície brilhante. A natureza anti-reflexiva dos SiNWs tem chamado a atenção, uma vez que um dos principais mecanismos de perda de energia das células solares é a reflexão óptica; a utilização dessas nanoestruturas em dispositivos fotossensíveis pode eliminar a necessidade de revestimentos anti-reflexos [5, 19, 20, 28]. Para quantificar as propriedades ópticas dos SiNWs fabricados, um espectrofotômetro ultravioleta-visível (UV-Vis) foi usado para medir a refletância das amostras.

A Figura 6 mostra a variação na refletância ( R ) dependendo do comprimento de onda ( λ ) de radiação incidente no substrato de Si e matrizes de SiNW. A medida foi obtida iluminando amostras com radiação variando da região do ultravioleta (UV) até a região do infravermelho (IR) com comprimentos de onda variando de 200 a 1100 nm. É visto claramente que a refletância dos SiNWs é muito mais baixa do que a de sua contraparte wafer de Si simples.

Refletância ( R ) versus comprimento de onda ( λ ) para um substrato de Si e as matrizes de SiNW

Referindo-se à Fig. 6, o espectro de refletância dos arranjos SiNW parece bastante estável (curva quase plana) no visível até próximo às regiões de IR (400–1100 nm). Isso simplesmente indica que os arranjos SiNW são muito sensíveis à radiação infravermelha visível e próxima. Esta faixa de comprimento de onda (400–1100 nm) é essencial para aplicações de dispositivos fotossensíveis. A refletância média dos arranjos SiNW é de aproximadamente 12% na região visível e 10% na região IR. No entanto, o substrato de Si deu uma refletância média muito mais alta. A refletância máxima do substrato de Si é de 65,1%, que é muito maior do que a refletância máxima dos SiNWs (19,2%) na mesma faixa de comprimento de onda (perto da região UV). Além disso, a refletância mínima dos SiNWs é de aproximadamente 3,5% na região do UV próximo e 9,8% nas regiões do visível ao IR próximo. Uma comparação detalhada da refletância nas regiões UV, visível e IR é resumida na Tabela 1. Os resultados revelam que a modificação da morfologia da superfície do substrato de Si para formar SiNWs reduziu com sucesso a perda de reflexão da radiação incidente em uma ampla faixa espectral. Esta propriedade atende aos requisitos para a aplicação de SiNWs em dispositivos fotossensíveis capazes de detectar com eficácia a luz incidente.

Os resultados estão de acordo com os resultados de refletância relatados anteriormente [19, 20, 42]. Jia et al. [42] descobriram que a refletância do Si preto (Si nu gravado com diferentes tratamentos pós-corrosão) é de aproximadamente 10% em todo o espectro visível, bem como nas regiões de UV próximo e IR próximo. Além disso, a refletância de um wafer polido sem revestimento anti-reflexo varia entre 30 e 50% na mesma faixa de comprimento de onda [42]. Li et al. [19] relataram que o silício multicristalino nanotexturado (mc-Si) mostra uma excelente capacidade anti-refletância de aproximadamente 5,6%. Este resultado foi obtido para um wafer de Si gravado em HF / H ₂ O ₂ / AgNO ₃ sob condições de fabricação otimizadas. Além disso, as propriedades anti-reflexo aumentam gradualmente com o aumento da uniformidade dos arranjos de nanofios, o que diminui quando o comprimento do nanofio é muito longo, o que leva à aglomeração dos nanofios. Resultados semelhantes ou até melhores foram relatados para SiNWs tratados com KOH para reduzir ainda mais a perda de refletância. Nessas condições, arranjos de SiNW em grande escala com capacidade anti-reflexo ultrabaixa de ~ 3,4% podem ser obtidos [20].

Há décadas, a perda de reflexão era monitorada com o uso de um revestimento anti-reflexo. No entanto, esses revestimentos têm estruturas ressonantes e funcionam efetivamente apenas em uma faixa espectral limitada e para ângulos de incidência específicos [28]. SiNWs são estruturas de relevo de superfície com dimensões menores que o comprimento de onda da luz incidente. Comprimentos de onda maiores que o diâmetro do nanofio passam pela amostra e são apenas absorvidos por espalhamento difuso múltiplo. Na região de maior comprimento de onda, a reflexão minimizada é devido à alta difração de luz entre os SiNWs [43]. Esses perfis profundos podem suprimir a reflexão de Fresnel substancialmente em uma ampla largura de banda espectral [28]. Além disso, os arranjos SiNW demonstram forte absorção óptica devido aos efeitos de captura de luz e efeitos de antena óptica, levando à supressão da reflexão óptica [44].

Muitos pesquisadores afirmam que nanofios com morfologia diferente da massa produzem alargamento de gap de banda, que é atribuído ao amplo espectro de absorção e faixa de transmissão óptica. Ao aplicar o método Kubelka-Munk [K-M ou F (R)] [45], a energia do gap da amostra pode ser determinada pela seguinte equação:
$$ F (R) =\ frac {\ left (1- R \ right) 2 \} {2 R} $$
onde R é a refletância e F (R) é proporcional ao coeficiente de extinção ( α ) Neste trabalho, [F (R) * hv ] ⁿ versus a energia do fóton ( hν ) para o substrato Si e SiNWs é plotado, onde h é a constante de Planck (4.1357 × 10 ⁻¹⁵ eV s), v é a frequência da luz e n é um coeficiente associado à transição eletrônica (2 para transições diretas permitidas e 1/2 para transições indiretas permitidas). Estendendo a linha tangencial do gradiente além do x -eixo, o ponto em que a linha cruza com o x -eixo é a energia de gap estimada da amostra.

A Figura 7 mostra os gráficos de (F (R) * hν ) ^1/2 versus energia do fóton ( hν ) para o substrato de Si e SiNWs. Verificou-se que a energia do gap de banda dos SiNWs é ligeiramente maior do que a de suas contrapartes wafer de Si nua. A energia do intervalo de banda calculada, E _g , é aproximadamente 1,15 eV para o substrato de Si e aproximadamente 1,20 eV para os SiNWs. Esses resultados estão de acordo com os de Kurokawa et al. [39]. Este grupo relatou que o gap de matrizes de SiNW era de aproximadamente 1,2 eV, conforme obtido a partir de medições de catodoluminescência. O fenômeno de alargamento de gap pode ser explicado pelo efeito de confinamento quântico (QC). De acordo com a teoria QC, o gap deve aumentar com a diminuição do tamanho da nanoestrutura e levar a um blueshift [46].

Gráfico de (F (R) * hν ) ^1/2 versus energia do fóton ( hν ) para um substrato de Si e as matrizes de SiNW

Ng et al. [47] relataram que a largura da lacuna de banda dos SiNWs aumenta com uma diminuição no diâmetro da estrutura do nanofio. Além disso, a alta relação entre área de superfície e volume proporcionou aos SiNWs comportamento direto de band gap, que se tornou mais impressionante à medida que o diâmetro do fio diminuía [48]. Fios de Si de pequeno diâmetro exibem uma lacuna de banda direta. Um gap de mais de 2,5 eV foi obtido para SiNWs com um diâmetro de aproximadamente 1 nm, conforme determinado pelos cálculos da teoria funcional da densidade [48]. Li e Bohn [49] demonstraram a fabricação de dispositivos emissores de luz usando Si poroso preparado pelo método de corrosão eletrolítica assistida por metal. Eles descobriram que a grande área de superfície levou a uma mudança no gap, bem como a propriedades de luminescência eficientes das nanoestruturas porosas [49].

Propriedades elétricas

A microscopia de força atômica (AFM) foi usada para caracterizar a topografia da superfície e as propriedades elétricas dos SiNWs sintetizados. No AFM, uma pequena sonda é digitalizada na amostra e as informações sobre a superfície da amostra são coletadas a partir da interação da sonda com a superfície. Os resultados obtidos são na forma de topografia física e medições das propriedades físicas, magnéticas e químicas da amostra. As medições de AFM são baseadas na deflexão do cantilever conforme a topografia da superfície da amostra muda e as forças interatômicas entre a ponta da sonda e a superfície da amostra são variadas.

A operação em modo sem contato foi usada para imagens de topografia de superfície; no entanto, AFM de modo de contato foi aplicado para as medições elétricas [22, 23, 50]. Neste trabalho, uma sonda condutiva AFM disponível comercialmente foi usada para obter a corrente versus tensão ( I - V ) características e topografia de superfície dos arranjos SiNW. A Figura 8 mostra um diagrama esquemático da configuração experimental para I - V caracterização. Neste experimento, uma sonda de AFM condutiva (ponta revestida de ouro, raio de aproximadamente 10 nm, constante de força 40 Nm ⁻¹ e frequência ressonante de 300 kHz) estava em contato com a extremidade superior de um SiNW via operação AFM de modo de contato. Uma tensão em rampa de 0 a 2 V.

Diagrama esquemático da configuração experimental para a medição elétrica por AFM

A Figura 9 mostra uma imagem SEM de vista superior e uma imagem de topografia 2D AFM dos arranjos SiNW alinhados verticalmente sobre uma área de varredura de 1,5 μm x 1,5 μm. Nanofios individuais e agrupados podem ser observados. A partir da imagem topográfica, a rugosidade da superfície de pico a vale foi encontrada em 722,7 nm com uma rugosidade média de 127,4 nm.

Imagens SEM e AFM dos SiNWs alinhados verticalmente. Um fio em forma de triângulo foi escolhido para a medição elétrica por AFM

A Figura 10 mostra o I - V curvas características em várias posições de ponta no topo de um SiNW independente. As características correspondem a um resistor, e o nanofio tem um comportamento ôhmico linear em todos os pontos para uma polarização direta de até 2,0 V. Nesse caso, a profundidade de corrosão (comprimento do nanofio) é de aproximadamente 722,7 nm, conforme estimado a partir do pico rugosidade da superfície até o vale (veja a imagem AFM na Fig. 9). A resistência elétrica pode ser determinada a partir da inclinação do I - V curvas características na Fig. 10.

I – V curvas de um SiNW autônomo individual medido por AFM. As características correspondem ao comportamento do resistor. A inserção mostra a área de varredura AFM e as posições da sonda AFM para a medição elétrica

A resistividade, ρ , pode ser obtido na lei de Ohm:
$$ \ rho =\ frac {RA} {L} $$
onde R é a resistência, A é a área de contato correspondente à área da ponta do AFM, e L é o comprimento do fio. Usando o comprimento do fio (722,7 nm) da imagem AFM e o raio do ápice da ponta do AFM (aproximadamente 10 nm), a resistividade média foi encontrada em 33,94 Ω cm. Para obter mais detalhes, consulte a resistência calculada e resistividade na Tabela 2. Este resultado é muito maior do que a resistividade de SiNWs relatada por Bauer et al., Onde eles obtiveram uma resistividade de 0,85 Ω cm para nanofios crescidos por epitaxia de feixe molecular em um n + substrato de silício [51].

Conclusões

Matrizes de SiNW foram fabricadas com sucesso pela corrosão sem eletrodos de um wafer n-Si (100) em HF / AgNO ₃ . O método de fabricação é um processo simples, de uma etapa e de baixo custo que não envolve equipamentos ou procedimentos complicados. O tamanho (diâmetro) dos SiNWs varia de 20 a 200 nm. Várias formas de SiNWs foram encontradas, incluindo formas redondas, retangulares e triangulares. The shape variation of SiNWs is suggested to be due to the inhomogeneous nucleation of silver on the Si substrate surface. A low reflectance of less than 10% was obtained in the near UV region to the near IR region. Thus, it was proven that the SiNWs can be used for antireflection applications over a broad spectral range. The band gap energy of the SiNWs is slightly higher than that of the Si substrate. Contact-mode AFM using a gold-coated tip was successfully applied for the electrical measurement of the SiNWs. The I–V characteristics of a freestanding SiNW show linear ohmic behavior. The average resistivity of a SiNW is approximately 33.94 Ω cm.

Abreviações

AFM:: Atomic force microscopy
AgNO₃ :: Silver nitrate
EDX:: Energy dispersive X-ray
FESEM:: Field-emission scanning electron microscopy
HCl:: Hydrochloric acid
HF:: Hydrofluoric acid
HNO₃ :: Nitric acid
I –V :: Current–voltage
SiNWs:: Silicon nanowires
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão

Absorvedor perfeito de banda ultra-estreita e sua aplicação como sensor plasmônico na região visível Ajuste da química da superfície de polieteretercetona por revestimento de ouro e tratamento com plasma

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias