Untersuchung der photoelektrischen Eigenschaften einzelner Si-Nanodrähte und ihrer Größenabhängigkeit

Einführung

Silizium-Nanodrähte (Si NWs) haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und ihrer Kompatibilität mit der traditionellen Siliziumtechnologie große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Si-NWs wurden für eine Vielzahl von Anwendungen demonstriert, z. B. für integrierte Logikschaltungen, Solarzellen, thermoelektrische Geräte und Biosensoren [1, 2, 3, 4, 5]. Insbesondere bei einer hochgeordneten Anordnung können Si-NWs die Lichtabsorption und Ladungssammlung stark verbessern, wodurch sie eine hohe Effizienz sowohl in Solarzellen als auch in Photodetektoren erreichen können [6,7,8]. In den letzten Jahrzehnten wurden das kontrollierbare Wachstum solcher geordneten Nanodraht-Arrays sowie die optimale Herstellung von Photovoltaik (PV)-Bauelementen intensiv untersucht [9,10,11]. Umgekehrt gibt es viel weniger grundlegende Studien zu den photoelektrischen Eigenschaften solcher Si-NWs-Arrays, insbesondere einzelner Nanodrähte innerhalb der Arrays.

Um die Anwendungen geordneter Nanodraht-Arrays in Solarzellen und PV-Geräten zu realisieren, ist es äußerst wichtig, ihre photoleitfähigen Eigenschaften gut zu verstehen. Heutzutage werden die photoleitfähigen Eigenschaften von Nanodraht-Arrays im Allgemeinen mit makroskopischen Methoden durch Abscheidung von zweiseitigen Elektroden unter Lichteinstrahlung untersucht [12, 13]. Für eine genauere Analyse ist es jedoch erforderlich, die Eigenschaften an einzelnen oder einzelnen Nanodrähten anstelle von gemittelten Ergebnissen zu erzielen. Neben den Studien mit einzelnen Nanodraht-Bauelementen, die nicht einfach herzustellen sind, haben sich rastersondenmikroskopische (SPM)-basierte elektrische Messungen als leistungsfähige Techniken zur elektrischen Charakterisierung im Nanobereich erwiesen [14, 15]. Von diesen SPM-Techniken wird die leitfähige Rasterkraftmikroskopie (CAFM) am häufigsten verwendet, um die leitfähigen Eigenschaften einzelner Nanostrukturen wie Filme, Heterostrukturen sowie Nanodrähte zu untersuchen [16,17,18,19,20]. Durch Kombination mit Laserbestrahlung kann es als photoleitende Rasterkraftmikroskopie (PCAFM) modifiziert werden, was einen Weg zur Untersuchung der photoleitenden Eigenschaften einzelner Nanostrukturen bietet [21, 22]. In den letzten Jahren wurde PCAFM bereits für Photostrommessungen an organischen [23,24,25,26] und anorganischen Solarzellen [27,28,29] sowie an einigen Nanostrukturen eingesetzt, darunter mikrokristalline Si-Dünnschichten, CdS-Heterostrukturen , MoS₂ Filme und ZnO-NWs [30,31,32,33]. Die meisten dieser Studien konzentrierten sich jedoch auf den Einfluss von Laserbestrahlung mit unterschiedlichen Leistungsintensitäten oder Wellenlängen, während sich einige Untersuchungen mit dem Einfluss der Größe von Nanodrähten befassten.

Andererseits ist es für die Optimierung des Durchmessers und der Länge der Nanodrähte unbedingt erforderlich, ihre Größenabhängigkeit zu ermitteln, um Si-NWs-Arrays mit ausgezeichneten photoleitfähigen Eigenschaften zu erhalten. Daher wurden in den letzten Jahrzehnten viele Anstrengungen unternommen, um die Größenabhängigkeit der photoleitfähigen Eigenschaften durch Verwendung makroskopischer Methoden oder einzelner Nanodrahtvorrichtungen aufzudecken [34, 35]. Im Hinblick auf die Längenabhängigkeit fanden viele Untersuchungen, dass der Photostrom mit zunehmender Nanodrahtlänge unter einen bestimmten Wert zwischen 1 und 18 μm zunahm und dann mit weiter zunehmender Länge abnahm [12, 36, 37], während eine andere Studie berichtete dass die Photoleitfähigkeit mit abnehmender Länge sublinear zunimmt [38]. Unterdessen waren die Ergebnisse der Durchmesserabhängigkeit noch sehr inkonsistent. Die Arbeit von Kim et al. fanden heraus, dass die Photoleitfähigkeit von intrinsischen Ge-Nanodrähten mit abnehmendem Durchmesser zunahm [35], während andere Arbeiten zu GaN-Nanodrähten fanden, dass der Photostrom mit zunehmendem Durchmesser zunahm [39]. Daher ist die Größenabhängigkeit der photoleitfähigen Eigenschaften von Nanodrähten weit davon entfernt, ein gutes und allgemeines Verständnis zu erreichen.

In diesem Artikel werden geordnete Arrays von vertikal ausgerichteten Si-NWs mit kontrollierbaren Durchmessern und Längen erfolgreich durch die Methode der Nanosphärenlithographie (NSL) in Kombination mit metallunterstütztem chemischem Ätzen (MACE) hergestellt, wie in früheren Studien beschrieben [1, 40]. Ihre photoleitfähigen Eigenschaften werden von PCAFM ohne weitere Nanofabrikation untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der an einzelnen Si-NWs gemessene Photostrom mit der Laserintensität stark zunimmt und die zunehmende Größe offensichtlich mit der Größe der Nanodrähte zusammenhängt. Si-NWs mit kleineren Durchmessern und kürzeren Längen sind photoleitfähiger. Andererseits lieferten die Messungen mit elektrostatischer Kraftmikroskopie (EFM) in Kombination mit Laserbestrahlung Informationen über photogenerierte Ladungen und Barrierehöhenmodifikationen, die verwendet werden können, um die größenabhängige photoverstärkte Leitfähigkeit von Si-NWs zu erklären. Daher zeigt diese Studie nicht nur die größenabhängigen photoelektrischen Eigenschaften von Si-NWs, sondern legt auch nahe, dass PCAFM und EFM effektive Werkzeuge zur Untersuchung der photoelektrischen Eigenschaften einzelner Nanostrukturen sowie zur Untersuchung der Größenabhängigkeit (oder anderer Parameter) sind.

Materialien und Methoden

Materialien

Die Si-Wafer wurden von MTI (China) bezogen. Entionisiertes Wasser (DI, 18,2 MΩ cm) wurde aus einem Ultrafiltrationssystem (Milli-Q, Millipore, Marlborough, MA) erhalten. Aceton, Methanol, Schwefelsäure, Wasserstoffperoxid und Fluorwasserstoffsäure wurden von Sinopharm Chemical Reagent (China) bezogen. Die Suspensionen (2,5 Gew.-% in Wasser) von Polystyrolkugeln (PS, 490 nm Durchmesser) wurden von Duke Scientific (USA) bezogen.

Herstellung und Charakterisierung von Si-NWs

Vertikal geordnete Silizium-Nanodraht-Arrays wurden von NSL und MACE hergestellt, wie in früheren Studien berichtet [1, 40]. Die wichtigsten Herstellungsprozesse werden einfach wie folgt beschrieben. Zunächst wurden Polystyrolkugeln (PS) auf dem chemisch gereinigten Si-Wafer (n-Typ, 0,01–0,02 Ω cm) selbstorganisiert. Als nächstes wurde der Durchmesser der PS-Kugeln durch reaktives Ionenätzen (RIE, Trion Technology) (50 W, 70 mTorr) auf einen gewünschten Wert reduziert, und die durchmesserreduzierte PS-Monoschicht diente in den folgenden Verfahren als Maske. Nach einer 20-nm-Au-Filmabscheidung durch Ionensputtern, die als Katalysator für die folgende MACE-Behandlung diente, wurde die Probe in die Mischlösung aus HF (40%) und H₂ . getaucht O₂ (30%) mit einem Volumenverhältnis von 4:1 für den MACE-Prozess und vertikal ausgerichtete Si-NWs wurden durch dieses Verfahren hergestellt. Schließlich wurden die verbleibende Au-Schicht und PS-Kugeln durch Einweichen der Probe in KI/I₂ . entfernt Mischlösung bzw. Tetrahydrofuranlösung. Die Morphologie nach jedem Schritt wurde durch Rasterelektronenmikroskopie (REM, SIGMA300) überprüft. Typische SEM-Bilder der ursprünglichen selbstorganisierten PS-Monoschicht, der durchmesserreduzierten PS-Monoschicht und der hergestellten Si-NWs nach dem Entfernen der Au-Schicht bzw. der PS-Kugeln sind in Abb. 1a–c dargestellt. Es ist ersichtlich, dass geordnete Anordnungen von vertikal ausgerichteten Si-NWs in großem Maßstab erreicht wurden. Darüber hinaus können der Durchmesser und die Länge der Nanodrähte durch Anpassen der RIE- und MACE-Zeit gut kontrolliert werden [40].

a –c REM-Bilder der wichtigsten Verfahren zur Herstellung vertikal ausgerichteter Si-NWs-Arrays:a Selbstorganisierte PS-Monoschicht, b durchmesserreduzierte PS-Monoschicht und c hergestelltes Si-NWs-Array. d EDX-Spektrum gemessen an Si-NWs. e Schematische Darstellungen von PCAFM und EFM unter Laserbestrahlung

Außerdem wurde die Zusammensetzung solcher Nanodrähte unter Verwendung von energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX, OXFORD, Aztec X-Max 80) gemessen. Ein typisches EDX-Spektrum, das an Si-Nanodrähten nach dem Eintauchen in HF gemessen wurde, ist in Abb. 1d dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Nanodrähte von Silizium dominiert werden (~ 95,6%) mit Ausnahme von Spuren von Sauerstoff (4,4%). Zur Bestätigung wurden die EDX-Messungen viele Male an verschiedenen Bereichen der Probe wiederholt, und die gemessenen Ergebnisse stimmten gut überein, wobei die Sauerstoffkonzentration von 0 bis 7,2 % variierte. Daher kann grob davon ausgegangen werden, dass die hergestellten Si-NWs rein und frei von anderen Verunreinigungen sind, mit Ausnahme einer leichten Oxidation an der Oberfläche. Unsere Ergebnisse stimmen gut mit denen aus früheren Studien von HRTEM oder EDX überein [41, 42], in denen festgestellt wurde, dass Si-NWs, die mit der gleichen MACE-Methode hergestellt wurden, hauptsächlich ihre Kristallstrukturen beibehalten konnten und nur eine dünne amorphe Schicht auf der Wandoberfläche der NWs [43, 44]. Ein dünnes SiO₂ Es wurde festgestellt, dass sich eine Schicht auf der porösen Nanodrahtoberfläche bildete, ohne dass andere Verunreinigungen auf der Oberfläche nachgewiesen wurden [41].

Die photoelektrischen Messungen an einzelnen Si-NWs wurden mit einem kommerziellen SPM-Gerät (Multimode V, Bruker Nano Surfaces) durchgeführt, wie in Abb. 1e dargestellt. Bei PCAFM tastete die leitfähige Spitze im Kontaktmodus über die Probenoberfläche ab, wobei eine Vorspannung zwischen dem Substrat und der elektrisch geerdeten Spitze angelegt wurde, und der resultierende Strom wurde gemessen. Laserbestrahlung wurde durch eine 400-μm-Faser in den SPM-Kopf eingeleitet. Ein 405-nm-Diodenlaser mit einstellbarer Intensität (DPSS-Laser, MDL-III) wurde auf das Substrat fokussiert und die Laserfleckfläche betrug etwa 1 mm ² . unter der Pt/Cr-beschichteten Spitze. Um stabile Strommessungen bei jeder Laserintensität zu erhalten, würden wir vor den Messungen einige Minuten warten, um den instabilen Zustand, der durch die Änderung der Laserintensität verursacht wird, so gering wie möglich zu halten. Andererseits dauerte es mehr als zehn Minuten, um jede aktuelle Bildmessung abzuschließen. Da wir die Strommessung unter verschiedenen Laserintensitäten abschließen möchten, bevor die Nanodrähte ernsthaft oxidiert wurden, Laserintensitäten mit relativ großem Intervall (2 W/cm ² ) variiert von 0 bis 8 W/cm ² wurden ausgewählt. Die photoleitfähigen Strombilder sowie I-V-Kurven wurden an einzelnen Nanodrähten unter unterschiedlicher Laserbestrahlung gemessen. Durch die Verwendung von EFM konnten sowohl die Probentopographie als auch die durch die elektrische Kraft induzierte Phasenverschiebung in einem Zweidurchgangsmodus aufgezeichnet werden. Im ersten Durchgang wurde das Topographiebild im Tapping-Modus aufgenommen. Im zweiten angehobenen Durchgang (die Spitze wurde hoch genug angehoben, um die durch die Van-der-Waals-Kraft induzierte Phasenverschiebung zu vernachlässigen) wurde eine DC-Vorspannung zwischen der Spitze und der Probe angelegt und das durch den elektrischen Kraftgradienten bestimmte Phasenverschiebungssignal wurde erfasst. Die detaillierten Funktionsprinzipien waren in früheren Studien zu finden [45, 46]. Pt/Cr-beschichtete Spitzen (Multi75E-G, Budget Sensors, Radius ca. 25 nm) wurden bei allen elektrischen Messungen verwendet und alle Experimente wurden in einem fließenden N₂ . durchgeführt Umgebungs. Jede Probe wurde 30 s lang in die HF-Lösung (5%) getaucht, um die Oxidschicht auf der Probenoberfläche zu entfernen, und dann wurde die Probe mindestens 5 Minuten lang in fließendem entionisiertem Wasser gewaschen, damit kein HF auf der Oberfläche, außer dass die Si-Oberfläche wasserstoffpassiviert war, was die Si-Oberfläche vor Reoxidation schützen und die Halbleitereigenschaften für etwa 60 Minuten aufrechterhalten konnte [47]. Nach dem HF-Tauchen wurde die Probe sofort vermessen, um den Einfluss der Oxidschicht auf die elektrische Charakterisierung möglichst zu reduzieren.

Ergebnisse und Diskussion

Messungen der photoleitfähigen Eigenschaft an einzelnen Si-NWs

Durch Kombination mit Laserbestrahlung werden die photoleitfähigen Eigenschaften von Si-NWs durch PCAFM als Funktion der Laserintensität untersucht. Typische Strombilder, die auf den Si-NWs mit einem Durchmesser von 190 nm und einer Länge von 800 nm unter unterschiedlicher Laserbestrahlung bei einer Probenvorspannung von − 1,5 V erhalten wurden, sind in Abb. 2b–f zusammen mit dem Topographiebild in Abb. 2a . gezeigt . Da die Spitze ein Keil mit einem großen Winkel war, der es unmöglich machte, den Boden zu erreichen, wurden insbesondere die Bilder im Kontaktmodus aufgenommen, die beobachteten Nanodrähte sind etwas verzerrt und nur der Strom auf der Oberseite der Nanodrähte kann gemessen werden. Jedenfalls ist die aktuelle Verteilung der einzelnen Nanodrähte anhand der aktuellen Bilder deutlich zu erkennen. Im aktuellen Bild ohne Laserbestrahlung (Abb. 2b) weisen Si-NWs an den meisten Kanten eine etwas bessere Leitfähigkeit auf als in der Mitte, was auf die größere seitliche Kontaktfläche zwischen Spitze und Nanodraht zurückgeführt wurde [40]. Unter Laserbestrahlung nimmt der Strom von Si-NWs offensichtlich mit der Laserintensität zu (Abb. 2c, d), während die leitfähige Fläche von Nanodrähten entsprechend zunimmt. Um eine eindeutige Beziehung zwischen Photostrom und Laserintensität zu erhalten, werden die durchschnittlichen Ströme von Si-NWs über alle Nanodrähte in den Stromkarten berechnet, die in Abb. 2g als Funktion der Laserintensität dargestellt sind. Die Ergebnisse zeigen, dass der durchschnittliche Strom etwa doppelt so hoch ist (von 85 auf 146 pA), wenn die Laserintensität von 0 auf 8 W/cm ansteigt ² , was darauf hinweist, dass unter Laserbestrahlung mehr Ladungsträger erzeugt werden.

Die Topographie (a ) und aktuelle Bilder von Si-NWs mit einer Länge von 800 nm und einem Durchmesser von 190 nm unter verschiedenen Laserintensitäten von b 0, c 2, d 4, e 6 und f 8 W/cm ² . g zeigt den gemittelten Strom (I _av ) über den Nanodrähten als Funktion der Laserintensität. h zeigt die Photoreaktion als Funktion der Laserintensität

In früheren Studien [32, 48] wurde Photoresponse normalerweise verwendet, um die Reaktionsfähigkeit von Photodetektoren zu beschreiben, die wie folgt definiert wurde:

wo ich _L und ich _D sind die Ströme mit bzw. ohne Laserbestrahlung. P _inc ist das Produkt der einfallenden Laserleistungsdichte geteilt durch die effektive Fläche der Kontaktfläche zwischen der Spitze und der Probe, q ist die Elementarladung und hν ist die Photonenenergie. In unserem Fall beträgt die Effektkontaktfläche etwa 2 × 10 ^–11 cm ² unter Verwendung des Spitzenradius von 25 nm, und als Ergebnis kann die Photoantwort von Si-NWs mit etwa 2,3 bei einer Laserintensität von 2 W/cm ² . berechnet werden , was darauf hinweist, dass Si-NWs eine ausgezeichnete Fotoverbesserungsfähigkeit aufweisen. Abbildung 2h zeigt die Photoreaktion als Funktion der Laserintensität, und es ist ersichtlich, dass die Photoreaktion mit zunehmender Laserintensität abnimmt, aber alle Werte immer noch größer als 1 sind. Die obigen Ergebnisse zeigen daher, dass die Laserbestrahlung die Leitfähigkeit von Si-NWs, was auf ihre vielversprechenden Anwendungspotenziale in Photodetektoren hindeutet.

Um die Größenabhängigkeit der photoleitfähigen Eigenschaften zu untersuchen, wurden Photostrommessungen an den Si-NWs mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen durchgeführt. Typische aktuelle Bilder von Si-NWs mit gleicher Länge von 350 nm aber unterschiedlichen Durchmessern von 190 bis 350 nm sind in Zusatzdatei 1 dargestellt:Abb. S1 unter 0, 4 und 8 W/cm ² Laserbestrahlung bei derselben Probenvorspannung von – 1,5 V. Die durchschnittlichen Ströme von Si-NWs, die über alle Nanodrähte in den Strombildern berechnet wurden, sind in Abb. 3a als Funktion der Laserintensität dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Leitfähigkeit von Si-NWs mit allen Durchmessern mit zunehmender Laserintensität deutlich zunimmt. Bei gleicher Laserintensität steigen die absoluten Stromwerte mit abnehmendem Durchmesser von 350 auf 190 nm deutlich an. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Si-NWs mit kleineren Durchmessern leitfähiger sind als solche mit größeren. Die über die Laserintensitäten gemittelte Photoantwort ist in Abb. 3b für verschiedene Durchmesser dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Photoreaktion mit zunehmendem Durchmesser abnimmt, was bedeutet, dass Si-NWs mit kleinerem Durchmesser eine bessere Photoreaktionsfähigkeit aufweisen. Andererseits ist der Photostrom (I _L − ich _D ) bei einer Laserintensität von 8 W/cm ² für unterschiedliche Durchmesser ist in Abb. 3c dargestellt. Es zeigt deutlich, dass der Photostrom mit zunehmendem Durchmesser abnimmt, was darauf hindeutet, dass Si-NWs mit kleineren Durchmessern eine bessere Photoleitfähigkeit aufweisen.

a Der gemittelte Strom (I _av ) von Si-NWs mit unterschiedlichen Durchmessern als Funktion der Laserintensität. b Die gemittelte Photoantwort über die Laserintensitäten als Funktion des Durchmessers. c Die Abhängigkeit des Photostroms vom Durchmesser bei einer Laserintensität von 8 W/cm ² . d Das Ich _av von Si-NWs mit unterschiedlichen Längen als Funktion der Laserintensität. e Die gemittelte Photoantwort über die Laserintensitäten als Funktion der Länge. f Die Abhängigkeit des Photostroms von der Länge bei einer Laserintensität von 8 W/cm ²

Ähnliche Messungen werden an Si-NWs mit gleichem Durchmesser aber unterschiedlicher Länge durchgeführt. Die Ergebnisse von Nanodrähten mit einem Durchmesser von 190 nm und Längen von 350 bis 960 nm sind in Zusatzdatei 1 dargestellt:Abb. S2. Die durchschnittlichen Ströme von Nanodrähten mit unterschiedlichen Längen sind in Abb. 3d dargestellt. Mit der erhöhten Laserintensität weisen alle Nanodrähte eine deutliche Erhöhung der Leitfähigkeit auf, und die kürzeren Si-NWs haben die größere Leitfähigkeit über den Laserintensitätsbereich von bis zu 8 W/cm ² . Photoreaktion und Photostrom als Funktion der Nanodrähtelänge bei einer Laserintensität von 8 W/cm ² sind in Abb. 3e bzw. f dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Photoreaktion mit zunehmender Länge von 350 auf 960 nm keine offensichtliche Längenabhängigkeit zeigt, während der Photostrom mit zunehmender Länge stark abnimmt.

I-V-Kurvenanalyse und größenabhängige Schottky-Barrierehöhe

Wie in unserer früheren Arbeit [40] berichtet, sollte bei CAFM-Messungen an Si-NWs der Kontaktwiderstand zwischen Spitze und Nanodraht nachdrücklich berücksichtigt werden, wobei die Schottky-Barriere eine wichtige Rolle spielt. Um die Rolle der Schottky-Barriere bei der Photoleitfähigkeit und den Einfluss von Laserstrahlung auf die Barrierenhöhe zu untersuchen, werden Strom-Spannungs-Kurven (I-V) an einzelnen Si-NWs aufgezeichnet. Typische I-V-Kurven auf den Si-NWs mit einem Durchmesser von 190 nm und einer Länge von 800 nm bei unterschiedlicher Laserbestrahlung sind in Abb. 4a dargestellt. Alle I-V-Kurven zeigen typische I-V-Eigenschaften von Metall- und n-Halbleiterkontakten, was darauf hinweist, dass der Einfluss der Sauerstoffschicht auf die Leitfähigkeit nicht gravierend ist und daher in der folgenden Diskussion ignoriert wird. Es ist zu beobachten, dass mit zunehmender Laserintensität der Strom der Si-NWs deutlich zunimmt. Die Verstärkung kann etwa das Dreifache erreichen, wenn die Laserintensität von 0 auf 8 W/cm ² . ansteigt unter der Vorspannung von -1,5 V, was gut mit den Ergebnissen der aktuellen Bilder übereinstimmt. Um eine quantitative Analyse zu erhalten, wird ein bekanntes thermionisches Emissionsmodell für einen Metall-Halbleiter-Kontakt verwendet [13, 49]. In diesem Modell können die I-V-Eigenschaften eines Schottky-Kontakts zu einem n-Halbleiter in Gegenwart eines Serienwiderstands angenähert werden als [13]:

wo n ist der ideale Faktor und R _S ist der Serienwiderstand. Ich _S ist der Sättigungsstrom, der ausgedrückt werden kann durch:

wo A ist die Kontaktfläche, \(A^{*}\) ist die Richardson-Konstante und φ _B ist die Schottky-Barrierehöhe (SBH) zwischen der Metallspitze und dem Si-Nanodraht. Somit kann SBH mit der Formel erhalten werden:

a Typische I-V-Kurven von Si-NWs mit 190 nm Durchmesser und 800 nm Länge bei unterschiedlicher Laserbestrahlung. b SBH-Werte aus der Anpassung von I–V-Kurven in a . Die durchmesser- und längenabhängigen SBH-Werte unter 8 W/cm ² Laserbestrahlung sind in c . aufgetragen , d , bzw.

Die I–V-Kurven in Abb. 4a lassen sich gut nach Gl. (2). Um die SBH-Werte aus dem Sättigungsstrom zu erhalten, wird angenommen, dass die effektive Richardson-Konstante \(A^{*}\) ungefähr gleich der von Bulk-Silizium ist, d. h. 112 A cm ⁻² K ⁻² für Silizium vom n-Typ. Die Kontaktfläche wird mit 2 × 10 ^–11 . angenommen cm ² indem der Radius der Cr/Pt-beschichteten Spitze als 25 nm angenommen wird. Die SBH-Werte betragen etwa 474, 453, 437, 429 und 416 meV für verschiedene Laserintensitäten von 0, 2, 4, 6 und 8 W/cm ² , wie in Abb. 4b aufgetragen. Es zeigt, dass SBH mit der Laserintensität signifikant abnimmt, was der Hauptbeitrag zur photoverstärkten Leitfähigkeit sein kann. Die Abhängigkeit von SBH vom Durchmesser und der Länge der Nanodrähte bei gleicher Laserintensität ist in Abb. 4c bzw. d dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass Si-NWs mit kleineren Durchmessern und kürzeren Längen kleinere SBH-Werte aufweisen, was zu einer besseren Photoleitfähigkeit solcher Nanodrähte führt. Die Durchmesser- und Längenabhängigkeit von SBH unter verschiedenen Laserbestrahlungen sind in Zusatzdatei 1 dargestellt:Abb. S3, was die obige Schlussfolgerung weiter unterstützt. Offensichtlich sind alle gemessenen SBH-Werte für Si-NWs mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen kleiner als die des massiven Si (~ 600 meV) [40] und nehmen mit zunehmender Laserintensität weiter ab, was darauf hindeutet, dass Si-NWs vielversprechende photoleitfähige Eigenschaften erreichen können für potenzielle Anwendungen.

Aus den obigen Ergebnissen kann daher geschlossen werden, dass die photoleitfähigen Eigenschaften von Si-NWs stark von ihren Durchmessern und Längen abhängig sind, dh Si-NWs mit kleineren Durchmessern und kürzeren Längen weisen eine bessere Photoleitfähigkeit auf, was dem größenabhängigen SBH als zugeschrieben werden sollte durch I-V-Kurvenanpassung aufgedeckt. Der genaue Mechanismus der Größenabhängigkeit von SBH ist noch nicht klar. Dies kann mit den Grenzflächenzuständen und/oder der ungeordneten Struktur in der rauen Außenschicht zusammenhängen. Nach früheren Studien [50,51,52] könnten geladene Grenzflächenzustände SBH effektiv reduzieren. In Referenz [50] beschreiben Yoon et al. angenommen, dass der durch den Grenzflächenzustand induzierte Ladungsträgertransfer zwei entgegengesetzt geladene Schichten mit negativ geladenen Oberflächenzuständen und der gleichen Anzahl positiver Ladungen bilden würde, die im Gegensatz zum eingebauten elektrischen Feld ein elektrisches Feld erzeugen könnten, was zu einer effektiven Verringerung von . führt SBH, die stark vom Durchmesser der Nanodrähte abhängig war. Durch die Verwendung von Finite-Elemente-Modellierung und Behandlung des Nanodrahts als zylindrischer Koaxialkondensator fanden sie heraus, dass die Verringerung der Barriere mit abnehmendem Nanodrahtdurchmesser zunehmen würde. In unserem Fall würde aufgrund der rauen Oberfläche von MACE-hergestellten Nanodrähten beim Kontaktieren mit der Metallspitze eine große Dichte von Grenzflächenzuständen erzeugt werden, die auch die Barrierenhöhe unter Annahme des obigen Gesichtspunkts effektiv senken kann. Die Oberflächenzustandsdichte nimmt mit abnehmendem Nanodrahtdurchmesser zu, kleinere SBH können auf den Nanodrähten mit kleineren Durchmessern erreicht werden. Somit weisen Si-NWs mit kleineren Durchmessern eine größere Leitfähigkeit auf. Da die SBH bei allen Durchmessern mit der Laserintensität abnimmt, weisen Si-NWs mit kleineren Durchmessern auch eine größere Photoleitfähigkeit auf.

Der Grund, warum die Werte von SBH längenabhängig sind, konnte jedoch unter diesem Gesichtspunkt nicht interpretiert werden. Längere Nanodrähte erfordern mehr MACE-Zeit zur Herstellung, was zu mehr Oberflächenunordnung oder -rauheit führt. Unterschiedliche Veränderungen in den Oberflächenmikrostrukturen können unterschiedliche Veränderungen der SBH-Werte bewirken, die weitere Untersuchungen erfordern, um dies herauszufinden. Unabhängig vom Ursprung der Größenabhängigkeit der photoleitfähigen Eigenschaften könnte die größenabhängige SBH-Absenkung zu einer höheren Leitfähigkeit oder Photoleitfähigkeit führen, was für praktische Anwendungen von Vorteil sein sollte.

Fotogenerierte gefangene Ladungen und Modifikation der Barrierenhöhe

Um die mit PCAFM erhaltenen SBH-Ergebnisse von Si-NWs weiter zu verifizieren, wurden EFM-Bilder auf Si-NWs unter unterschiedlicher Laserbestrahlung gemessen, wie in Abb. 5a–d gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die durch die elektrostatische Kraft induzierte Phasenverschiebung (ΔΦ ) nimmt deutlich mit der Laserintensität zu. Das im Zeilenscanmodus aufgenommene Phasenverschiebungsbild in der oberen Mitte des Nanodrahts ist in Fig. 5e dargestellt, und die gemittelte Phasenverschiebung über die Scanlinie entlang der markierten Kurve ist in Fig. 5f gezeichnet. Beide zeigen deutlich den Anstieg von ΔΦ mit Laserintensität.

Das Topographiebild von Si-NWs (a ), die Phasenverschiebungsbilder, die bei verschiedenen Laserintensitäten von 0 (b ), 4 (c ) und 10 W/cm ² (d ), bzw. e Das im Zeilenscan-Modus aufgenommene Phasenverschiebungsbild auf der oberen Mitte des Nanodrahts. Die gemittelte Phasenverschiebung über die Scanlinie entlang der markierten roten Kurve in e ist in f . aufgetragen

Um genauere Informationen aus EFM-Messungen zu erhalten, ΔΦ wurde als Funktion der angelegten Spannung gemessen (V _EFM ) unter unterschiedlicher Laserbestrahlung auf einem bestimmten einzelnen Nanodraht. Eine Reihe von ΔΦ ~ V _EFM Kurven, die auf dem Si-Nanodraht mit einem Durchmesser von 190 nm und einer Länge von 800 nm gemessen wurden, sind in Abb. 6a als Streupunkte dargestellt. Es ist zu erkennen, dass mit zunehmender Laserintensität die ΔΦ ~ V _EFM Kurven verschieben sich nach unten. Dies deutet darauf hin, dass mehr Ladungsträger erzeugt und in Nanodrähten gefangen werden [45]. Für die quantitative Analyse wird das Spitze-Probe-System einfach wie ein ebener Kondensator behandelt, und der kapazitive elektrostatische Kraftgradient würde beim Anlegen einer Vorspannung zwischen Spitze und Probe eine Phasenverschiebung verursachen. Mit Ladungen, die durch Laserbestrahlung in den Nanostrukturen gefangen werden, würde eine zusätzliche durch die Coulomb-Kraft induzierte Phasenverschiebung erzeugt [53]. Die von EFM erkannte Phasenverschiebung kann als [54, 55] beschrieben werden:

wobei C , V _EFM und V _CPD sind die Kapazität, die angelegte Gleichspannung bzw. die Kontaktpotentialdifferenz zwischen Spitze und Probe. Q _s ist die Menge der im Nanodraht gefangenen Ladungen, Q ist der Qualitätsfaktor und k die Federkonstante der Sonde ist und z ist der Abstand zwischen den eingefangenen Ladungen in Nanodrähten.

Φ ~ V _EFM Kurven in Abb. 6a können mit Gl. (5), dargestellt als durchgezogene Linien. Von den Anpassungsparametern, V _CPD und Q _s kann mit Q . abgerufen werden = 186 und k = 2,8 N/m für Pt/Ir-beschichtete Spitze [56, 57] und ungefähr z als Hubhöhe, die in Fig. 6b als Funktion der Laserintensität aufgetragen sind. Es ist ersichtlich, dass mit zunehmender Laserintensität V _CPD sinkt, während die gefangenen Ladungen Q _s Zunahme. Wie in der Literatur berichtet [46], ist die Änderung von V _CPD unter Laserbestrahlung war mit der Variation der Dichte der eingefangenen Ladungsträger verbunden. Somit ist die Abnahme von V _CPD mit Laserbestrahlung in unseren Experimenten kann auch auf die Zunahme der gefangenen Ladungsdichte zurückgeführt werden.

a Φ ~ V _EFM Kurven, die mit EFM an einzelnen Si-NWs mit einem Durchmesser von 190 nm und einer Länge von 800 nm unter unterschiedlicher Laserbestrahlung gemessen wurden. b Die Ergebnisse von Qs und V _CPD erhalten durch Anpassen der Kurven in a als Funktion der Laserintensität. The diameter and length dependence of V _CPD at the laser intensity of 8 W/cm ² is presented in c , d , bzw.

From the energy diagram given in Additional file 1:Fig. S4, the value of SBH roughly equals to qV _CPD plus E _n (= E _C − E _F ) [40]. As E _n is a constant for all Si NWs made from the same material, the size dependence of V _CPD well represents that of SBH. The results of V _CPD obtained on Si NWs with different diameters and lengths are presented in Additional file 1:Fig. S5 as a function of laser intensity. All of the measured V _CPD for Si NWs with different diameters and lengths decrease with the increased laser intensity. The dependence of V _CPD on nanowires’ diameter and length at the same laser intensity of 8 W/cm ² is shown in Fig. 6c, d, respectively. It can be seen that the V _CPD increases obviously with the increased diameter and increased length, in a good agreement with the size dependence of SBH. Therefore, from the EFM results, it can be suggested the laser irradiation can generate carriers trapped in nanowires, which can induce the lowering of barrier height leading to the enhancement of conductance (Fig. 4).

Schlussfolgerung

In summary, by a simple and low-cost method without involving any intricated procedures, Si NWs arrays with controllable diameters and lengths are prepared. The photoconductive properties are directly measured on individual Si NWs without complex nanofabrication procedure by the means of PCAFM. The size-dependent conductance of Si NWs is obtained on individual nanowires with different diameters and lengths. The results demonstrate that the photocurrent measured on individual Si NWs increases greatly with the laser intensity, and the increasing magnitude is obviously related to the nanowires’ sizes. Si NWs with smaller diameters and shorter lengths exhibit larger photoconductance. On the other hand, the measurements performed by EFM combined with laser irradiation provided the information of photogenerated charges and contact barrier height, which can be applied to explain the photoconductive properties of Si NWs as well as their size-dependence. Therefore, in this study, the photoelectrical properties are investigated on individual nanowires by PCAFM and EFM, which should be important for both basic understanding and potential applications of nanostructures in optoelectronics and photovoltaics.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

The datasets used for supporting the conclusion are included in the article and the supporting file.

Abkürzungen

Si NWs:

Si nanowires

CAFM:

Konduktive Rasterkraftmikroskopie

PCAFM:

Photoconductive conductive atomic force microscopy

EFM:

Electrostatic force microscopy

PV:

Photovoltaik

NSL:

Nanosphären-Lithographie

MACE:

Metallunterstütztes chemisches Ätzen

SPM:

Scanning probe microscopy

PS:

Kugeln aus Polystyrol

RIE:

Reaktives Ionenätzen

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

EDX:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

SBH:

Höhe der Schottky-Barriere

CPD:

Contact potential difference