Größenabhängiges fotoelektrisches Verhalten einzelner Silizium-Nanodrähte

Zusammenfassung

Periodisch geordnete Arrays vertikal ausgerichteter Si-Nanodrähte (Si NWs) wurden mit kontrollierbaren Durchmessern und Längen erfolgreich gefertigt. Ihre photoleitenden Eigenschaften wurden mittels photoleitender Rasterkraftmikroskopie (PCAFM) an einzelnen Nanodrähten untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Photostrom der Si NWs mit der Laserintensität signifikant zunimmt, was auf gute Photoleitfähigkeit und Photoreaktionsfähigkeit hinweist. Diese fotoverstärkte Leitfähigkeit wird auf fotoinduzierte Schottky-Barriereänderung zurückgeführt, bestätigt durch I-V-Kurvenanalysen. Andererseits zeigen elektrostatische Kraftmikroskopie (EFM) Ergebnisse, dass eine große Anzahl photogenerierter Ladungen in Si NWs unter Laserbestrahlung gefangen wird, was zu einer Absenkung der Barrierehöhe führt. Zudem wird die Größenabhängigkeit der photoleitenden Eigenschaften an Si NWs mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen untersucht. Es zeigt sich, dass der Anstieg des Photostroms mit der Laserintensität stark vom Nanodrahtdurchmesser und -länge abhängt. Si NWs mit kleineren Durchmessern und kürzeren Längen zeigen bessere photoleitende Eigenschaften, was gut mit der größenabhängigen Barrierehöhenvariation durch photogenerierte Ladungen übereinstimmt. Mit optimiertem Durchmesser und Länge werden hervorragende fotoelektrische Eigenschaften an Si NWs erreicht. Insgesamt werden in dieser Studie die fotoelektrischen Eigenschaften einzelner Si NWs systematisch mittels PCAFM und EFM untersucht, was wichtige Informationen für die Optimierung von Nanostrukturen für praktische Anwendungen liefert.

Einleitung

Silizium-Nanodrähte (Si NWs) haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und Kompatibilität mit traditioneller Siliziumtechnologie große Aufmerksamkeit erregt. Si NWs wurden für diverse Anwendungen demonstriert: integrierte Logikschaltungen, Solarzellen, thermoelektrische Bauelemente, Biosensoren [1–5]. Besonders in hochgeordneter Anordnung können Si NWs Lichtabsorption und Ladungseinsammlung stark verbessern, was hohe Effizienz in Solarzellen und Photodetektoren ermöglicht [6–8]. In den vergangenen Jahrzehnten wurden kontrolliertes Wachstum solcher geordneter Nanodraht-Arrays und optimale Fertigung photovoltaischer (PV) Bauelemente intensiv untersucht [9–11]. Umgekehrt gibt es weit weniger fundamentale Studien zu fotoelektrischen Charakteristiken solcher Si NW-Arrays, besonders an einzelnen Nanodrähten innerhalb der Arrays.

Um Anwendungen geordneter Nanodraht-Arrays in Solarzellen und PV-Bauelementen zu realisieren, ist ein gutes Verständnis ihrer photoleitenden Eigenschaften extrem wichtig. Heutzutage werden photoleitende Eigenschaften von Nanodraht-Arrays allgemein mit makroskopischen Methoden bei Aufdampfung zweiseitiger Elektroden unter Lichtbestrahlung untersucht [12,13]. Für genauere Analysen ist es jedoch notwendig, Eigenschaften an einzelnen oder einzelnen Nanodrähten zu erhalten statt gemittelter Ergebnisse. Neben Studien mit Einzel-Nanodraht-Bauelementen (schwer zu fertigen) haben sich rasterkraftmikroskopiebasierte (SPM) elektrische Messungen als leistungsfähige Techniken für elektrische Charakterisierung im Nanomaßstab erwiesen [14,15]. Unter diesen SPM-Techniken wurde leitfähige Rasterkraftmikroskopie (CAFM) am häufigsten zur Untersuchung leitfähiger Eigenschaften einzelner Nanostrukturen wie Filmen, Heterostrukturen und Nanodrähten angewendet [16–20]. Kombiniert mit Laserbestrahlung wird sie zu photoleitender Rasterkraftmikroskopie (PCAFM), die einen Weg bietet, photoleitende Eigenschaften an einzelnen Nanostrukturen zu untersuchen [21,22]. In jüngeren Jahren wurde PCAFM bereits für Photostrommessungen an organischen [23–26] und anorganischen Solarzellen [27–29] sowie an Nanostrukturen wie mikrokristallinen Si-Dünnschichten, CdS-Heterostrukturen, MoS₂-Filmen und ZnO NWs eingesetzt [30–33]. Die meisten dieser Studien fokussierten jedoch auf Einfluss von Laserbestrahlung mit variierter Leistung oder Wellenlänge, während wenige Forschungen den Effekt der Nanodrahtgröße betrafen.

Andererseits ist es zur Erreichung von Si NW-Arrays mit exzellenten photoleitenden Eigenschaften notwendig, ihre Größenabhängigkeit für Optimierung von Durchmesser und Länge zu ermitteln. Daher wurden in jüngeren Jahrzehnten viele Anstrengungen unternommen, die Größenabhängigkeit photoleitender Eigenschaften mit makroskopischen Methoden oder Einzel-Nanodraht-Bauelementen aufzudecken [34,35]. Hinsichtlich Längenabhängigkeit: Viele Forschungen fanden, dass Photostrom mit zunehmender Nanodrahtlänge unter einem spezifischen Wert (1–18 µm) zunimmt und dann bei weiterer Längenzunahme abnimmt [12,36,37], während eine andere Studie berichtete, dass Photoleitfähigkeit sublinear mit abnehmender Länge zunimmt [38]. Ergebnisse der Durchmessersabhängigkeit waren jedoch inkonsistent. Kim et al. fanden, dass Photoleitfähigkeit intrinsischer Ge-Nanodrähte mit abnehmendem Durchmesser zunimmt [35], während andere Arbeiten an GaN-Nanodrähten Photostromzunahme mit zunehmendem Durchmesser fanden [39]. Daher ist die Größenabhängigkeit photoleitender Eigenschaften an Nanodrähten weit von einem guten gemeinsamen Verständnis entfernt.

In dieser Arbeit werden geordnete Arrays vertikal ausgerichteter Si NWs mit kontrollierbaren Durchmessern und Längen erfolgreich per Nanosphärenlithografie (NSL) kombiniert mit metallunterstütztem chemischem Ätzen (MACE) gefertigt, wie in früheren Studien berichtet [1,40]. Ihre photoleitenden Eigenschaften werden per PCAFM ohne weitere Nanofabrikation untersucht. Ergebnisse zeigen: Photostrom an einzelnen Si NWs nimmt stark mit Laserintensität zu, Anstiegsbetrag offensichtlich abhängig von Nanodrahtgröße. Si NWs mit kleineren Durchmessern und kürzeren Längen sind photoleitender. Andererseits lieferten EFM-Messungen unter Laserbestrahlung Informationen zu photogenerierten Ladungen und Barrierehöhenmodifikation, die die größenabhängige fotoverstärkte Leitfähigkeit erklären können. Diese Studie enthüllt nicht nur größenabhängige fotoelektrische Eigenschaften von Si NWs, sondern zeigt auch, dass PCAFM und EFM effektive Werkzeuge zur Untersuchung fotoelektrischer Eigenschaften einzelner Nanostrukturen sowie zur Erforschung Größen- (oder anderer Parameter-) Abhängigkeiten sind.

Materialien und Methoden

Materialien

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

Fertigung und Charakterisierung Si NWs

Vertikal geordnete Silizium-Nanodraht-Arrays per NSL und MACE gefertigt, wie in früheren Studien [1,40]. Hauptfertigungsprozesse: 1. Polystyrolkugeln (PS) selbstassembliert auf chemisch gereinigtem Si-Wafer (n-Typ, 0,01–0,02 Ω·cm). 2. PS-Kugeldurchmesser per Reaktiv-Ionen-Ätzen (RIE, Trion Technology) (50 W, 70 mTorr) auf Wunschwert reduziert; durchmesservermindertes PS-Monolayer wirkt als Maske in folgenden Schritten. 3. 20 nm Au-Film per Ionen-Sputtern als Katalysator für folgende MACE-Behandlung. 4. Probe in gemischter Lösung HF (40%) und H₂O₂ (30%) Volumenverhältnis 4:1 getaucht für MACE-Prozess → vertikal ausgerichtete Si NWs. 5. Restliche Au-Schicht und PS-Kugeln durch Einweichen in KI/I₂-Gemisch und Tetrahydrofuran-Lösung entfernt. Morphologie nach jedem Schritt per REM (SIGMA300) geprüft. Typische REM-Bilder ursprünglicher selbstassemblierter PS-Monolayer, durchmesservermindertem PS-Monolayer, gefertigter Si NWs nach Entfernen von Au und PS in Abb. 1a–c. Geordnete Arrays vertikal ausgerichteter Si NWs im großen Maßstab erreicht. Durch Anpassung RIE- und MACE-Zeit lassen sich Nanodrahtdurchmesser und -länge gut kontrollieren [40].

Zusammensetzung per energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX, OXFORD, Aztec X-Max 80) gemessen. Typisches EDX-Spektrum an Si-Nanodrähten nach HF-Ätzen in Abb. 1d. Ergebnisse: Nanodrähte dominiert von Silizium (~95,6%) bis auf Spuren Sauerstoff (4,4%). Zur Bestätigung EDX-Messungen mehrfach an verschiedenen Probenbereichen wiederholt, Ergebnisse gut konsistent, Sauerstoffkonzentration 0–7,2%. Daher können gefertigte Si NWs als rein und frei von anderen Verunreinigungen betrachtet werden, außer leichter Oberflächenoxidation. Ergebnisse stimmen mit früheren HRTEM/EDX-Studien [41,42] überein: Si NWs per gleicher MACE-Methode behalten weitgehend Kristallstrukturen, nur dünne amorphe Schicht an NW-Wandoberfläche [43,44]. Dünne SiO₂-Schicht auf poröser Nanodrahtoberfläche gebildet, keine anderen Verunreinigungen detektiert [41].

Fotoelektrische Messungen an einzelnen Si NWs mit kommerziellem SPM-Gerät (Multimode V, Bruker Nano Surfaces), schematisch in Abb. 1e. PCAFM: Leitfähige Spitze tastet Probenoberfläche im Kontaktmodus mit Bias-Spannung zwischen Substrat und geerdeter Spitze, resultierender Strom gemessen. Laserbestrahlung in SPM-Kopf über 400-µm-Faser eingeführt. 405-nm-Diodenlaser mit einstellbarer Intensität (DPSS Lasers, MDL-III) auf Substrat fokussiert, Laserfleckfläche ~1 mm² unter Pt/Cr-beschichteter Spitze. Für stabile Strommessungen bei jeder Laserintensität: wenige Minuten Wartezeit vor Messung zur Reduktion instabilen Status durch Laserintensitätsänderung. Jede Strombildmessung >10 min. Um Messungen unter verschiedenen Laserintensitäten vor starker Oxidation der Nanodrähte abzuschließen, Laserintensitäten mit relativ großem Intervall (2 W/cm²) von 0 bis 8 W/cm² gewählt. Photoleitende Strombilder und I-V-Kurven an einzelnen Nanodrähten unter verschiedenen Laserbestrahlungen gemessen. EFM: ProbenTopografie und elektrisch-kraftinduzierter Phasenshift per Two-Pass-Modus aufgezeichnet. Erster Pass: Topografie im Tapping-Modus. Zweiter angehobener Pass (Spitze hoch genug gehoben, um Phasenshift durch van-der-Waals-Kraft zu vernachlässigen): DC-Bias zwischen Spitze und Probe, Phasenshift durch elektrischen Kraftgradient detektiert. Detaillierte Funktionsprinzipien in früheren Studien [45,46]. Pt/Cr-beschichtete Spitzen (Multi75E-G, Budget Sensors, Radius ~25 nm) in allen elektrischen Messungen, alle Experimente in fließendem N₂-Ambiente. Jede Probe vorab 30 s in HF-Lösung (5%) getaucht zur Oxidschichentfernung, dann ≥5 min in fließendem deionisiertem Wasser gewaschen, damit kein HF auf Oberfläche verbleibt, außer Si-Oberfläche wasserstoffpassiviert, was vor Re-Oxidation schützt und Halbleitereigenschaften ~60 min erhält [47]. Nach HF-Ätzen sofort messen, um Oxidschichteinfluss auf elektrische Charakterisierung zu minimieren.

Ergebnisse und Diskussion

Photoleitende Eigenschaftsmessungen an einzelnen Si NWs

Photoleitende Eigenschaften Si NWs per PCAFM in Abhängigkeit von Laserintensität untersucht. Typische Strombilder an Si NWs mit Durchmesser 190 nm, Länge 800 nm unter verschiedenen Laserbestrahlungen bei Substrat-Bias −1,5 V in Abb. 2b–f, Topografiebild Abb. 2a. Da Spitze Keilform mit großem Winkel, Boden nicht erreichbar, besonders im Kontaktmodus, erscheinen Nanodrähte etwas verzerrt, nur Strom an Oberseite messbar. Dennoch Stromverteilung einzelner Nanodrähte klar aus Strombildern beobachtbar. Ohne Laser (Abb. 2b): Si NWs zeigen an den meisten Kanten etwas bessere Leitfähigkeit als Zentrum – größerer Seitenkontaktbereich Spitze-Nanodraht [40]. Unter Laserbestrahlung: Strom Si NWs nimmt offensichtlich mit Laserintensität zu (Abb. 2c,d), leitfähiger Bereich nimmt entsprechend zu. Für deutlichen Zusammenhang Photostrom-Laserintensität: Mittelströme Si NWs über alle Nanodrähte in Stromkarten berechnet, in Abb. 2g als Funktion Laserintensität dargestellt. Ergebnisse: Mittelstrom ~2-fach Anstieg (85→146 pA) bei Laserintensität 0→8 W/cm² → mehr Träger unter Laser generiert.

In früheren Studien [32,48] wurde Photoreaktion zur Beschreibung Antwortfähigkeit Photodetektoren genutzt, definiert als:

R = (I_L − I_D) / q / (P_inc / hν) (1)

I_L, I_D Strom mit/ohne Laser. P_inc = einfallende Laserleistungsdichte / effektiver Kontaktfläche Spitze-Probe. q Elementarladung, hν Photonenenergie. Effektiver Kontaktbereich ~2×10⁻¹¹ cm² (Spitzenradius 25 nm) → Photoreaktion Si NWs ~2,3 bei 2 W/cm² → exzellente Foto-Verstärkungsfähigkeit. Abb. 2h: Photoreaktion vs. Laserintensität. Photoreaktion sinkt mit steigender Laserintensität, aber alle Werte >1. Ergebnisse zeigen: Laserbestrahlung steigert Leitfähigkeit Si NWs stark → vielversprechend für Photodetektoren.

Untersuchung Größenabhängigkeit photoleitender Eigenschaften: Photostrommessungen an Si NWs mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen. Typische Strombilder Si NWs gleiche Länge 350 nm, Durchmesser 190–350 nm in Supplement Abb. S1 unter 0, 4, 8 W/cm² bei Bias −1,5 V. Mittelströme über alle Nanodrähte in Strombildern in Abb. 3a als Funktion Laserintensität. Leitfähigkeit aller Durchmesser nimmt mit Laserintensität offensichtlich zu. Bei gleicher Laserintensität: absolute Stromwerte steigen signifikant bei Durchmesserabnahme 350→190 nm. Si NWs mit kleineren Durchmessern leitfähiger. Mittlere Photoreaktion über Laserintensitäten in Abb. 3b für verschiedene Durchmesser. Photoreaktion sinkt mit zunehmendem Durchmesser → kleinere Durchmesser = bessere Photoreaktionsfähigkeit. Photostrom (I_L−I_D) bei 8 W/cm² für verschiedene Durchmesser in Abb. 3c. Photostrom nimmt mit zunehmendem Durchmesser ab → kleinere Durchmesser = bessere Photoleitfähigkeit.

Ähnliche Messungen an Si NWs gleicher Durchmesser, verschiedener Längen. Ergebnisse Durchmesser 190 nm, Längen 350–960 nm in Supplement Abb. S2. Mittelströme verschiedener Längen in Abb. 3d. Mit steigender Laserintensität: alle Nanodrähte zeigen offensichtlichen Leitfähigkeitsanstieg, kürzere Si NWs haben größere Leitfähigkeit über gesamten Laserintensitätsbereich bis 8 W/cm². Photoreaktion und Photostrom als Funktion Nanodrahtlänge bei 8 W/cm² in Abb. 3e,f. Mit Längenzunahme 350→960 nm: Photoreaktion zeigt keine offensichtliche Längenabhängigkeit, Photostrom nimmt jedoch stark ab.

I-V-Kurvenanalyse und größenabhängige Schottky-Barrierehöhe

Wie in früherer Arbeit [40] berichtet, sollte in CAFM-Messungen an Si NWs Spitze-Nanodraht-Kontaktwiderstand betont werden, in dem Schottky-Barriere wichtige Rolle spielt. Zur Untersuchung Rolle Schottky-Barriere in Photoleitfähigkeit und Effekt Laserbestrahlung auf Barrierehöhe: Strom-Spannungs-Kennlinien (I-V) an einzelnen Si NWs aufgezeichnet. Typische I-V-Kurven Si NWs Durchmesser 190 nm, Länge 800 nm unter verschiedenen Laserbestrahlungen in Abb. 4a. Alle I-V-Kurven zeigen typisches I-V-Verhalten Metall-n-Typ-Halbleiter-Kontakt → Sauerstoffschichteinfluss auf Leitfähigkeit nicht gravierend, in weiterer Diskussion ignoriert. Beobachtbar: Strom Si NWs nimmt mit Laserintensität offensichtlich zu. Verstärkung ~3-fach bei Laserintensität 0→8 W/cm² unter Bias −1,5 V, konsistent mit Strombild-Ergebnissen. Quantitative Analyse: bekanntes thermionisches Emissionsmodell Metall-Halbleiter-Kontakt [13,49]. I-V-Kennlinien Schottky-Kontakt n-Typ-Halbleiter mit Serienwiderstand approximiert als [13]:

I = I_S [ exp( q(V−IR_S) / (nkT) ) − 1 ] (2)

n Idealitätsfaktor, R_S Serienwiderstand. I_S Sättigungsstrom:

I_S = A A* T² exp( −φ_B / kT ) (3)

A Kontaktfläche, A* Richardsonsche Konstante, φ_B Schottky-Barrierehöhe (SBH) Metallspitze-Si-Nanodraht. SBH erhältlich per:

φ_B = kT ln( A A* T² / I_S ) (4)

I-V-Kurven Abb. 4a gut per Gl. (2) fittbar. Für SBH aus Sättigungsstrom: effektive Richardsonsche Konstante A* ≈ Bulk-Silizium, 112 A·cm⁻²·K⁻² für n-Typ-Si. Kontaktfläche ~2×10⁻¹¹ cm² (Cr/Pt-Spitzenradius 25 nm). SBH-Werte: ~474, 453, 437, 429, 416 meV für Laserintensitäten 0, 2, 4, 6, 8 W/cm² (Abb. 4b). SBH sinkt signifikant mit Laserintensität → Hauptbeitrag zur fotoverstärkten Leitfähigkeit. Gleichzeitig Durchmesser- und Längenabhängigkeit SBH bei gleicher Laserintensität in Abb. 4c,d. Ergebnisse: Si NWs mit kleineren Durchmessern und kürzeren Längen haben kleinere SBH-Werte → bessere Photoleitfähigkeit. Durchmesser- und Längenabhängigkeit SBH unter verschiedenen Laserbestrahlungen in Supplement Abb. S3 → stützt Schlussfolgerung. Alle gemessenen SBH-Werte für Si NWs verschiedener Durchmesser/Längen kleiner als Bulk-Si (~600 meV) [40] und sinken weiter mit Laserintensität → Si NWs erreichen vielversprechende photoleitende Eigenschaften für Anwendungen.

Schlussfolgerung: Photoleitende Eigenschaften Si NWs stark abhängig von Durchmesser und Länge: kleinere Durchmesser, kürzere Längen → bessere Photoleitfähigkeit, zuzuschreiben größenabhängiger SBH per I-V-Kurvenfit. Exakter Mechanismus größenabhängiger SBH noch unklar. Kann mit Interface-Zuständen und/oder ungeordnetem Struktur in rauer Außenschicht zusammenhängen. Laut früheren Studien [50–52] können geladene Interface-Zustände SBH effektiv reduzieren. Beispiel: Yoon et al. [50] nahmen an, Interface-Zustand-induzierter Trägertransfer bildet zwei entgegengesetzt geladene Schichten (negativ geladene Oberflächenzustände, gleich viele positive Ladungen) → elektrisches Feld entgegen eingebautem Feld → effektive SBH-Absenkung, stark durchmessersabhängig. Per Finite-Elemente-Modellierung, Nanodraht als zylindrischer Koaxialkondensator: Betrag Barrieresenkung nimmt mit abnehmendem Nanodrahtdurchmesser zu. In unserem Fall: durch raue Oberfläche MACE-gefertigter Nanodrähte bei Kontakt mit Metallspitze große Dichte Interface-Zustände generiert, die Barrierehöhe effektiv senken per obigem Ansatz. Oberflächenzustandsdichte steigt mit abnehmendem Nanodrahtdurchmesser → kleinere SBH an kleineren Durchmessern → größere Leitfähigkeit. Da SBH mit Laserintensität für alle Durchmesser sinkt, zeigen kleinere Durchmesser auch größere Photoleitfähigkeit.

Grund für Längenabhängigkeit SBH nicht mit diesem Ansatz interpretierbar. Längere Nanodrähte erfordern mehr MACE-Zeit → mehr Oberflächenunordnung/-rauheit. Unterschiedliche Änderungen Oberflächenmikrostruktur → unterschiedliche SBH-Änderungen, weitere Untersuchungen nötig. Jedenfalls: größenabhängige SBH-Absenkung → höhere Leitfähigkeit/Photoleitfähigkeit → vorteilhaft für praktische Anwendungen.

Photogenerierte gefangene Ladungen und Barrierehöhenmodifikation

Zur weiteren Verifikation SBH-Ergebnisse per PCAFM: EFM-Bilder an Si NWs unter verschiedenen Laserbestrahlungen (Abb. 5a–d). Elektrostatisch-kraftinduzierter Phasenshift (ΔΦ) nimmt mit Laserintensität offensichtlich zu. Phasenshift-Bild im Linescan-Modus auf Nanodrahtmitte in Abb. 5e, gemittelter Phasenshift über Scanlinie entlang markierter Kurve in Abb. 5f. Beide zeigen klar ΔΦ-Zunahme mit Laserintensität.

Für definitive Informationen aus EFM: ΔΦ als Funktion angelegter Spannung (V_EFM) unter verschiedenen Laserbestrahlungen an bestimmten Einzel-Nanodraht gemessen. Satz ΔΦ~V_EFM-Kurven an Si-Nanodraht (190 nm, 800 nm) in Abb. 6a als Streupunkte. Mit steigender Laserintensität verschieben sich ΔΦ~V_EFM-Kurven nach unten → mehr Träger generiert und in Nanodrähten gefangen [45]. Quantitative Analyse: Spitze-Probe-System als Plattenkondensator vereinfacht. Kapazitiver elektrostatischer Kraftgradient verursacht Phasenshift bei Bias zwischen Spitze und Probe. Mit in Nanostrukturen durch Laser gefangenen Ladungen zusätzlicher Phasenshift durch Coulombkraft [53]. Phasenshift per EFM beschreibbar als [54,55]:

ΔΦ = −Q/k ∂F/∂z = −Q/k [ ½ ∂²C/∂z² (V_EFM−V_CPD)² + Q_s/(2π ε₀ z²) ( C/z − ½ ∂C/∂z ) (V_EFM−V_CPD) + Q_s²/(2π ε₀ z³) ] (5)

C, V_EFM, V_CPD Kapazität, angelegte DC-Spannung, Kontaktpotenzialdifferenz Spitze-Probe. Q_s gefangene Ladungsmenge Nanodraht, Q Gütefaktor, k Federkonstante Sonde, z Abstand gefangene Ladungen in Nanodraht.

ΔΦ~V_EFM-Kurven Abb. 6a gut per Gl. (5) fittbar (durchgezogene Linien). Aus Fit-Parametern V_CPD und Q_s erhalten per Q=186, k=2,8 N/m für Pt/Ir-beschichtete Spitze [56,57], z als Anhebungshöhe approximiert, in Abb. 6b als Funktion Laserintensität geplottet. Mit steigender Laserintensität: V_CPD sinkt, gefangene Ladungen Q_s steigen. Laut Literatur [46] war V_CPD-Änderung unter Laser mit gefangener Trägerdichtevariation verknüpft. Abnahme V_CPD in unseren Experimenten ebenfalls auf Zunahme gefangener Ladungsdichte zurückführbar.

Aus Energiediagramm (Supplement Abb. S4) entspricht SBH ungefähr qV_CPD + E_n (= E_C−E_F) [40]. Da E_n für alle Si NWs gleichen Materials konstant, repräsentiert Größenabhängigkeit V_CPD gut die von SBH. V_CPD-Ergebnisse an Si NWs verschiedener Durchmesser/Längen in Supplement Abb. S5 als Funktion Laserintensität. Alle gemessenen V_CPD sinken mit steigender Laserintensität. Abhängigkeit V_CPD von Nanodrahtdurchmesser und -länge bei 8 W/cm² in Abb. 6c,d. V_CPD steigt offensichtlich mit zunehmendem Durchmesser und Länge, in guter Übereinstimmung mit SBH-Größenabhängigkeit. EFM-Ergebnisse deuten an: Laserbestrahlung generiert in Nanodrähten gefangene Träger → Barrierehöhenabsenkung → Leitfähigkeitssteigerung (Abb. 4).

Fazit

Zusammenfassend: Per einfacher, kostengünstiger Methode ohne komplexe Prozeduren Si NW-Arrays mit kontrollierbaren Durchmessern und Längen hergestellt. Photoleitende Eigenschaften direkt an einzelnen Si NWs ohne komplexe Nanofabrikation per PCAFM gemessen. Größenabhängige Leitfähigkeit an einzelnen Nanodrähten mit verschiedenen Durchmessern und Längen ermittelt. Ergebnisse: Photostrom an einzelnen Si NWs steigt stark mit Laserintensität, Anstiegsbetrag offensichtlich größenabhängig. Si NWs mit kleineren Durchmessern und kürzeren Längen zeigen größere Photoleitfähigkeit. EFM-Messungen unter Laserbestrahlung lieferten Informationen zu photogenerierten Ladungen und Kontaktbarrierehöhe, anwendbar zur Erklärung photoleitender Eigenschaften Si NWs und deren Größenabhängigkeit. In dieser Studie wurden fotoelektrische Eigenschaften an einzelnen Nanodrähten per PCAFM und EFM untersucht, wichtig für grundlegendes Verständnis und potenzielle Anwendungen von Nanostrukturen in Optoelektronik und Photovoltaik.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Datensätze zur Stützung der Schlussfolgerung sind im Artikel und in der unterstützenden Datei enthalten.

Abkürzungen

Si NWs:

Si-Nanodrähte

CAFM:

Leitfähige Rasterkraftmikroskopie

PCAFM:

Photoleitende Rasterkraftmikroskopie

EFM:

Elektrostatische Kraftmikroskopie

PV:

Photovoltaik

NSL:

Nanosphärenlithografie

MACE:

Metallunterstütztes chemisches Ätzen

SPM:

Rastersondenmikroskopie

PS:

Polystyrolkugeln

RIE:

Reaktiv-Ionen-Ätzen

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

EDX:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

SBH:

Schottky-Barrierehöhe

CPD:

Kontaktpotenzialdifferenz