Caractéristiques optiques et électriques des nanofils de silicium préparés par gravure autocatalytique

Contexte

Les propriétés physiques des nanomatériaux sont très différentes de celles de leurs homologues en vrac et dépendent principalement de leur taille et de leur forme. Par exemple, le silicium massif émet une faible photoluminescence infrarouge car il possède une bande interdite indirecte [1]. Cette bande interdite indirecte empêche une recombinaison radiative interbande efficace. Par conséquent, des structures unidimensionnelles (1D), telles que les nanofils de silicium (SiNW), sont introduites, car elles sont capables d'émettre efficacement par photoexcitation en raison d'effets de taille quantique. Dans les dimensions confinées des nanomatériaux, le mouvement limité des électrons contribue à une amélioration des propriétés électriques de leurs dispositifs [2].

La formation de nanostructures 1D Si fournit de nouvelles propriétés de dispositif, telles qu'un transport de charge efficace et des propriétés optiques contrôlables. Les SiNW sont des candidats prometteurs pour la future nanoélectronique et en particulier les dispositifs optoélectroniques en raison de leurs propriétés électriques, optoélectroniques et mécaniques remarquables [3, 4]. Par conséquent, de nombreuses recherches se sont concentrées sur l'utilisation des SiNW dans un large éventail d'applications [5].

Il existe de nombreuses méthodes pour fabriquer des SiNW, y compris des approches descendantes et ascendantes. Cependant, toutes ces méthodes ont leurs propres avantages et inconvénients. Parmi les différentes méthodes, la méthode la plus courante est un mécanisme de croissance vapeur-liquide-solide (VLS), qui a été proposé pour la première fois par Wagner dans les années 1960 lors de ses études sur la croissance de grandes trichites monocristallines [6]. Depuis lors, de nombreux chercheurs ont fabriqué des SiNW par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) [7, 8], ablation laser [9], évaporation thermique [10] et épitaxie par faisceau moléculaire [11]. Cependant, ces techniques ascendantes nécessitent généralement des équipements complexes, des précurseurs de silicium à haute température, à vide poussé et dangereux, qui augmentent considérablement le coût des processus. De plus, la production de SiNW sur de grandes surfaces n'est pas possible en raison des limitations des configurations de croissance utilisées [12]. Par conséquent, une méthode simple, à savoir la méthode de gravure autocatalytique, a été proposée comme méthode de synthèse prometteuse. La première introduction de la gravure chimique de Si assistée par métal a été signalée en 1997, où du Si poreux a été fabriqué en gravant un substrat de Si recouvert d'aluminium (Al) dans une solution composée d'acide fluorhydrique (HF), HNO_{3 , et H2 O [13]. Depuis lors, de nombreux chercheurs ont utilisé des méthodes similaires pour fabriquer des matrices SiNW en utilisant divers systèmes de solution de gravure, tels que HF/AgNO3 ou HF/H2 O2 /AgNO3 [5, 12, 14,15,16,17,18,19,20].}

La première partie de ce travail se concentre sur la fabrication de SiNWs avec des structures souhaitées, telles que des structures bien alignées, à haute densité et à haute uniformité en termes de taille, de longueur et de distribution. Les SiNW ont été fabriqués par gravure autocatalytique d'une plaquette de Si dans une solution mixte d'acide fluorhydrique et de nitrate d'argent (HF/AgNO₃ système). Pendant la gravure de la plaquette de silicium, une zone sélective est gravée tandis que le reste est préservé et, par conséquent, des structures de fil alignées verticalement à l'échelle nanométrique sont formées. Après la gravure, le précipité d'argent sur les SiNW doit être complètement éliminé avant de passer aux processus suivants. En effet, le précipité d'argent peut agir comme une barrière et influencer les propriétés (en particulier les propriétés optiques et électriques) des SiNW. Enfin, les SiNW fabriqués ont été caractérisés pour leur microstructure, leur composition élémentaire, leur morphologie et leurs propriétés optiques et électriques.

Bien que de nombreux chercheurs aient étudié les propriétés optiques des SiNW, la plupart d'entre eux utilisent des mesures de transmittance pour déterminer l'énergie de la bande interdite. Dans ce travail, les propriétés optiques des SiNW fabriqués par gravure autocatalytique en HF/AgNO₃ ont été déterminés à partir des mesures de réflectance. De plus, les caractéristiques électriques des SiNW ont été étudiées à l'aide de mesures de microscopie à force atomique conductrice (AFM).

Méthodes

Fabrication de SiNWs

Les SiNW ont été synthétisés par la méthode de gravure autocatalytique assistée par métal en utilisant des plaquettes de silicium dopées au phosphore avec une orientation (100) ou des plaquettes de Si (100) de type n. La résistivité des plaquettes variait de 0,75 à 1,25 cm, avec des épaisseurs de 500 à 550 m. Les plaquettes de Si ont été fournies par Siltronix Silicon Technologies, France. Les plaquettes ont ensuite été nettoyées séquentiellement par ultrasons dans de l'acétone, de l'éthanol, de l'eau déminéralisée et une solution bouillante de piranha (H₂ SO₄ :H₂ O₂ = 4:1; v /v ) pendant 30 minutes. Les plaquettes nettoyées ont été rincées à l'eau déminéralisée et enfin plongées dans une solution de HF pendant 20 s, puis lavées à l'eau déminéralisée pour éliminer les oxydes natifs.

La solution de bain pour le processus de gravure autocatalytique a été préparée en mélangeant une solution de HF 5 M avec un AgNO 0,01 M₃ Solution. HF a été fourni par JT Baker, avec une pureté de 48%, qualité CMOS. De plus, AgNO₃ a été fourni par QREC, avec une pureté de plus de 99%.

Les substrats de Si pré-nettoyés ont été immergés dans la solution de gravure préparée (gravure autocatalytique assistée par métal). La température de gravure était de 60 °C et le temps de gravure était de 60 min [21]. Le processus de gravure a été effectué dans un récipient en Téflon scellé à l'intérieur d'une hotte à HF. Après la gravure, les substrats de Si ont été rapidement rincés plusieurs fois avec de l'eau déminéralisée, suivi d'un nettoyage aux ultrasons pendant 15 min dans 3 mol/L d'eau régale solution pour éliminer le dépôt d'argent de l'échantillon. La solution d'Aqua regia est un mélange d'acide nitrique (HNO₃ ) et de l'acide chlorhydrique (HCl) dans un rapport volumique de 1:3. Les échantillons ont été rincés à nouveau avec de l'eau déminéralisée et séchés. HNO₃ , d'une pureté de 65%, a été fourni par LABSCAN, et le HCl de qualité CMOS a été fourni par MERCK, avec une concentration de 12 mol/L.

Caractérisations

La microstructure, la morphologie et la composition chimique des échantillons ont été caractérisées par microscopie électronique à balayage à émission de champ (FESEM) équipée d'un spectromètre à rayons X à dispersion d'énergie (EDX) (Zeiss Supra 35 VP) et d'un microscope électronique à transmission (MET) (Philips CM12). Un spectrophotomètre ultraviolet-visible PerkinElmer Lambda 35 a été utilisé pour étudier la réflectance dans la plage de 200 à 1 100 nm. La topographie de surface et les caractéristiques électriques des SiNW ont été étudiées par l'AFM à l'aide d'une série commerciale Seiko SPI 3800N avec un microscope SPA-300HV [22, 23]. Je –V les mesures aux points sélectionnés ont été effectuées par AFM en mode contact à l'aide d'une pointe de sonde AFM conductrice (doré, ∅_TIP ≈ 20 nm) en appliquant une tension de polarisation directe allant de 0 à 2 V à la pointe de l'AFM.

Résultats et discussion

Microstructures

La figure 1 montre les images SEM de (a) le substrat n-Si (100) pré-nettoyé avant la gravure et (b) le substrat n-Si (100) gravé à 60 ° C pendant 60 min dans 5 M HF. La plaquette de silicium nue possède une surface lisse semblable à un miroir exempte de contaminants (Fig. 1a). La formation de structures mésoporeuses a été détectée sur le substrat Si gravé en solution HF (Fig. 1b). Le HF est bien connu comme solution de gravure pour l'oxyde de silicium, et ainsi, la formation de pores sur la surface de Si peut être due à la gravure de son oxyde natif. Cependant, la vitesse de gravure est très lente.

Images SEM de a la plaquette Si pré-nettoyée et b la plaque de Si gravée en 5 M HF sans AgNO₃ solution

Les SiNW ont été formés avec succès par la gravure chimique assistée par argent d'une plaquette de Si dans une solution contenant 5 M de HF et 0,01 M d'AgNO₃ à 60°C pendant 60 min. La figure 2 montre l'image SEM d'un substrat après le processus de gravure. Des réseaux SiNW alignés verticalement ont été formés sur le substrat lorsque des ions d'argent ont été introduits dans la solution de gravure. En plus des nanofils, des dendrites d'argent ont également été trouvées sur les SiNW. Ils sont soit déposés sur les pointes des fils, soit sur le fond du substrat.

Image SEM montrant la formation de SiNW avec des dendrites d'argent après le processus de gravure autocatalytique (avant le nettoyage à l'eau régale)

La formation de silicium poreux au stade précoce de la fabrication de SiNW dans une solution de gravure de métal ionique est initiée par la génération de trous. L'accepteur de trous est supposé être la liaison Si-H de surface [24]. La gravure du silicium et le dépôt d'argent se produisent simultanément à la surface de la plaquette de silicium. Les atomes d'argent déposés forment d'abord des noyaux puis des nanoamas répartis à la surface de la plaquette de silicium. Ces nanoclusters d'argent et les zones de Si entourant ces noyaux d'argent pourraient agir comme des cathodes et des anodes locales, respectivement, dans le processus de réaction redox électrochimique, qui peut être formulé comme deux réactions de demi-cellule :

De nombreuses cellules électrolytiques autoportantes à l'échelle nanométrique ont été spontanément assemblées à la surface de Si. Lors du dépôt d'argent, les nanoclusters d'argent, qui agissent comme des cathodes, ont été préservés avec succès, tandis que le silicium environnant, qui agit comme l'anode, a été gravé [12, 14, 25, 26].

La figure 3 montre des micrographies SEM des réseaux SiNW fabriqués via la méthode de gravure autocatalytique et après nettoyage dans une solution d'eau régale. Les réseaux SiNW à haute densité peuvent être observés sous différentes vues :vue à 45° (Fig. 3a), vue de dessus (Fig. 3b, c) et vue en coupe/latérale (Fig. 3d). De plus, les réseaux SiNW sont tous bien alignés dans la direction verticale, qui suit l'orientation du substrat de plaquette de silicium dans la direction (100). Comme le montre la vue en coupe des SiNW de la figure 3d, la profondeur moyenne de gravure est d'environ 20 m, ce qui correspond à la longueur des SiNW, tandis que le diamètre est compris entre 20 et 300 nm.

Images SEM de matrices SiNW fabriquées via la méthode de gravure autocatalytique :a Vue à 45°, b , c vue de dessus, d vue en coupe/latérale

Smith et al. [16]. Lorsque Si est immergé dans HF/Ag ⁺ solution, les nanoparticules d'argent nucléent immédiatement et se développent rapidement. Au cours de l'étape de nucléation initiale, les particules hémisphériques individuelles sont essentiellement isolées sur la surface de Si et se développent indépendamment. La nucléation et la croissance de l'argent sont un processus hautement dynamique, permettant à l'argent de se dissoudre, de se redéposer et/ou de migrer en surface vers des sites plus énergétiquement favorisés. Un autre mécanisme complet de formation de SiNWs poreux par gravure de plaquettes de Si dans HF/AgNO₃ a été proposé par Li et al. [18]. Les structures poreuses au sein des SiNW ont été attribuées à l'oxydation du Si induite par les nanoparticules d'Ag. Il a été constaté que la concentration plus élevée de HF était favorable à la croissance des SiNW et que la formation de SiNW était significativement affectée par l'Ag ⁺ concentration en ions.

Li et al. [17] ont également rapporté la fabrication de nanofils de silicium poreux (PSiNW) en utilisant une solution de gravure de HF/H₂ O₂ /AgNO₃ . Dans ce système, le H₂ O₂ remplace Ag +  comme oxydant, et les nanoparticules d'Ag fonctionnent comme des catalyseurs lors de la gravure. Une morphologie différente des SiNWs a été trouvée, dans laquelle l'ensemble du nanofil était recouvert de nombreuses structures poreuses. Ils ont découvert que la porosité pouvait être contrôlée en ajustant la concentration de H₂ O₂ [17].

Dans le passé, il a été supposé que la gravure assistée par métal est isotrope et que le métal noble catalyse toujours la gravure le long de la direction verticale par rapport à la surface du substrat [27,28,29]. Plus tard, des expériences ont révélé que la gravure était principalement anisotrope, car une gravure non verticale se produisait pour les substrats (111) et (110), résultant en des SiNW inclinés et alignés [30, 31, 32]. Cette gravure anisotrope le long de certaines directions cristallographiques préférées a été attribuée à la théorie de la rupture de la liaison arrière [33, 34]. Lors de la gravure, il est nécessaire de rompre les back-bonds de l'atome de surface qui se connecte aux atomes sous-jacents pour que la réaction d'oxydation et de dissolution sur la surface soit activée. Le nombre de back-bonds est déterminé par l'orientation cristallographique du substrat [29]. Chaque atome à la surface du substrat (100) a deux liaisons arrière, tandis que sur les surfaces (110) et (111), chaque atome a trois liaisons arrière. Ainsi, la fabrication de SiNW sur des substrats (100) est plus facile que sur les autres [35].

Composition Élémentaire

La figure 4 montre les résultats de l'analyse EDX des matrices SiNW avant et après le nettoyage par ultrasons avec une solution d'eau régale. Les résultats montrent que les éléments contenus dans les échantillons sont principalement Si et Ag. L'argent était clairement déposé à la pointe du fil ainsi que dans la vallée entre les fils après le processus de gravure. Comme le montre la figure 4a, une grande quantité d'argent (environ 11,04 at% Ag) a été détectée. Cependant, une composition purement Si (100 at% Si) a été obtenue après nettoyage dans une solution d'eau régale (Fig. 4b).

Résultats de l'analyse EDX des matrices SiNW après les processus de gravure :a avant le nettoyage à l'eau régale (88,96 at.% Si et 11,04 at.% Ag) et b après nettoyage à l'eau régale (100,00 at.% Si et 0,00 at.% Ag)

Taille et forme des SiNW

Comme indiqué précédemment, la concentration d'agent de gravure la plus appropriée est de 0,01 mol/L pour AgNO₃ et 5,0 mol/L pour HF. Cependant, une préoccupation majeure de cette méthode est que les nanoclusters d'argent formés ont tendance à se déposer de manière aléatoire sur la surface du substrat de Si. Ce phénomène contribue à la difficulté d'adapter l'uniformité, l'alignement, la longueur et le diamètre des nanofils fabriqués. De plus, les nanoclusters d'argent déposés à la surface de la plaquette de Si se sont avérés avoir différentes tailles et formes, car les chemins aléatoires pour entrer en contact avec la graine sélectionnée permettent aux particules de se diffuser et de coller à la structure formée. Cela a conduit à la formation de réseaux SiNW avec une taille et une forme non uniformes [5, 12, 15,16,17,18,19,20, 28, 36,37,38].

En général, les morphologies des structures de Si gravées autocatalytiquement sont définies par la forme des dépôts de catalyseur d'Ag. Des particules d'Ag bien séparées donnent généralement des pores bien définis, tandis que les structures gravées peuvent évoluer des pores vers des structures en forme de paroi ou de fil lorsque les particules d'Ag sont déposées en faisceaux [29]. En d'autres termes, l'activité catalytique de l'ion Ag est déterminée par les facettes exposées. Ainsi, il est raisonnable que la structure des nanofils n'ait produit ni un seul fil individuel ni une structure semblable à une paroi, mais un mélange des deux.

La figure 5 montre la morphologie des SiNWs. L'analyse MET a été réalisée sur des SiNWs préalablement retirés du substrat. Les résultats montrent que la taille (diamètre) des SiNW est comprise entre 20 et 200 nm (Fig. 5a). Diverses formes de SiNW ont été trouvées, y compris des formes rondes (Fig. 5b), des formes rectangulaires (Fig. 5c) et des formes triangulaires (Fig. 5d). La variation de forme des produits SiNW est due à la formation inhomogène de dépôts d'argent sur la surface du substrat Si. La taille et la forme des SiNW pourraient être bien contrôlées en contrôlant la forme géométrique, la taille et les positions des cathodes locales (nanoclusters d'argent). Ceci peut être réalisé par gravure autocatalytique à l'aide d'un gabarit approprié, tel qu'une monocouche de sphères de polystyrène [39]. Les résultats sont similaires à la formation de structures en nid d'abeilles ordonnées lors de l'anodisation [40, 41].

Images TEM de SiNW en vrac :a lot de SiNW de différentes tailles et formes, b SiNW de forme ronde, c SiNW de forme rectangulaire, et d SiNW de forme triangulaire

Propriétés optiques

La fabrication de SiNWs est une technique de modification de surface qui vise à minimiser la réflexion de la lumière incidente et à augmenter au maximum l'absorption. D'après les observations, les SiNW sur le substrat de Si sont d'apparence noire par rapport à la plaquette de Si nue, qui a une surface brillante. La nature antireflet des SiNW a attiré l'attention car l'un des principaux mécanismes de perte d'énergie des cellules solaires est la réflexion optique; l'utilisation de ces nanostructures dans des dispositifs photosensibles peut éliminer le besoin de revêtements antireflet [5, 19, 20, 28]. Pour quantifier les propriétés optiques des SiNW fabriqués, un spectrophotomètre ultraviolet-visible (UV-Vis) a été utilisé pour mesurer la réflectance des échantillons.

La figure 6 montre la variation de réflectance (R ) en fonction de la longueur d'onde (λ ) du rayonnement incident sur le substrat Si et les matrices SiNW. La mesure a été obtenue en éclairant des échantillons avec un rayonnement variant de la région ultraviolette (UV) à la région infrarouge (IR) avec des longueurs d'onde allant de 200 à 1100 nm. On voit clairement que la réflectance des SiNW est beaucoup plus faible que celle de leur homologue de plaquette de Si nu.

Réflectance (R ) en fonction de la longueur d'onde (λ ) pour un substrat Si et les matrices SiNW

En se référant à la figure 6, le spectre de réflectance des réseaux SiNW semble plutôt stable (courbe presque plate) dans les régions visible à proche IR (400–1100 nm). Cela indique simplement que les matrices SiNW sont très sensibles au rayonnement visible et proche IR. Cette gamme de longueurs d'onde (400–1100 nm) est essentielle pour les applications de dispositifs photosensibles. La réflectance moyenne des réseaux SiNW est d'environ 12 % dans la région visible et de 10 % dans la région IR. Cependant, le substrat de Si a donné une réflectance moyenne beaucoup plus élevée. La réflectance maximale du substrat Si est de 65,1 %, ce qui est bien supérieur à la réflectance maximale des SiNW (19,2 %) dans la même gamme de longueurs d'onde (près de la région UV). De plus, la réflectance minimale des SiNW est d'environ 3,5% dans la région UV proche et de 9,8% dans les régions visible à proche IR. Une comparaison détaillée de la réflectance dans les régions UV, visible et IR est résumée dans le tableau 1. Les résultats révèlent que la modification de la morphologie de surface du substrat Si pour former des SiNW a réussi à réduire la perte de réflexion du rayonnement incident sur une large gamme spectrale. Cette propriété répond aux exigences d'application des SiNW dans des dispositifs photosensibles capables de détecter efficacement la lumière incidente.

Les résultats sont en accord avec les résultats de réflectance précédemment rapportés [19, 20, 42]. Jia et al. [42] ont trouvé que la réflectance du Si noir (Si nu gravé avec différents traitements post-gravure) est d'environ 10 % sur l'ensemble du spectre visible ainsi que dans les régions proche UV et proche IR. De plus, la réflectance d'une plaquette polie sans revêtement antireflet varie entre 30 et 50 % sur la même gamme de longueurs d'onde [42]. Li et al. [19] ont rapporté que le silicium multicristallin nanotexturé (mc-Si) présente une capacité antireflet exceptionnelle d'environ 5,6%. Ce résultat a été obtenu pour une plaque de Si gravée en HF/H₂ O₂ /AgNO₃ dans des conditions de fabrication optimisées. De plus, les propriétés antireflet augmentent progressivement avec l'uniformité croissante des réseaux de nanofils, qui diminue lorsque la longueur des nanofils est trop longue, ce qui conduit à l'agglomération de nanofils. Des résultats similaires ou même meilleurs ont été rapportés pour les SiNW traités avec du KOH afin de réduire davantage la perte de réflectance. Dans ces conditions, des matrices SiNW à grande échelle avec une capacité antireflet ultra-faible d'environ 3,4% peuvent être obtenues [20].

Depuis des décennies, la perte de réflexion a été surveillée en utilisant un revêtement antireflet. Cependant, ces revêtements ont des structures résonantes et ne fonctionnent efficacement que dans une gamme spectrale limitée et pour des angles d'incidence spécifiques [28]. Les SiNW sont des structures en relief de surface dont les dimensions sont inférieures à la longueur d'onde de la lumière incidente. Les longueurs d'onde supérieures au diamètre du nanofil traversent l'échantillon et ne sont absorbées que par diffusion diffuse multiple. Dans la région de longueur d'onde plus longue, la réflexion minimisée est due à la diffraction élevée de la lumière entre les SiNW [43]. Ces profils profonds peuvent supprimer sensiblement la réflexion de Fresnel sur une large bande spectrale [28]. De plus, les réseaux SiNW présentent une forte absorption optique due aux effets de piégeage de la lumière et aux effets d'antenne optique, conduisant à une réflexion optique supprimée [44].

De nombreux chercheurs ont affirmé que les nanofils de morphologie différente de la masse produisent un élargissement de la bande interdite, qui est attribué au large spectre d'absorption et à la plage de transmission optique. En appliquant la méthode Kubelka-Munk [K-M ou F(R)] [45], l'énergie de la bande interdite de l'échantillon peut être déterminée par l'équation suivante :

où R est la réflectance et F(R) est proportionnel au coefficient d'extinction (α ). Dans ce travail, [F(R)**i>hv ] ⁿ versus l'énergie photonique (hν ) pour le substrat Si et SiNWs est tracé, où h est la constante de Planck (4.1357 × 10 ⁻¹⁵ eV s), v est la fréquence de la lumière, et n est un coefficient associé à la transition électronique (2 pour les transitions directes autorisées et 1/2 pour les transitions indirectes autorisées). En prolongeant la ligne tangentielle du dégradé au-delà du x -axis, le point d'intersection de la ligne avec le x -axis est l'énergie de bande interdite estimée de l'échantillon.

La figure 7 montre les tracés de (F(R)*hν ) ^1/2 versus énergie photonique (hν ) pour le substrat Si et les SiNW. Il a été constaté que l'énergie de bande interdite des SiNW est légèrement supérieure à celle de leurs homologues de plaquettes de Si nues. L'énergie de bande interdite calculée, E _g , est d'environ 1,15 eV pour le substrat Si et d'environ 1,20 eV pour les SiNW. Ces résultats sont en accord avec ceux de Kurokawa et al. [39]. Ce groupe a signalé que la bande interdite des réseaux SiNW était d'environ 1,2 eV, telle qu'obtenue à partir des mesures de cathodoluminescence. Le phénomène d'élargissement de la bande interdite peut s'expliquer par l'effet de confinement quantique (QC). Selon la théorie QC, la bande interdite devrait augmenter avec une diminution de la taille de la nanostructure et conduire à un décalage vers le bleu [46].

Parcelle de (F(R)*hν ) ^1/2 par rapport à l'énergie photonique (hν ) pour un substrat Si et les matrices SiNW

Ng et al. [47] ont rapporté que la largeur de bande interdite des SiNW augmente avec une diminution du diamètre de la structure des nanofils. De plus, le rapport surface/volume élevé a permis aux SiNWs d'avoir un comportement de bande interdite direct, qui est devenu plus impressionnant à mesure que le diamètre du fil diminuait [48]. Les fils de Si de petit diamètre présentent une bande interdite directe. Une bande interdite supérieure à 2,5 eV a été obtenue pour des SiNW d'un diamètre d'environ 1 nm, tel que déterminé par les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité [48]. Li et Bohn [49] ont démontré la fabrication de dispositifs électroluminescents utilisant du Si poreux préparé par la méthode de gravure autocatalytique assistée par métal. Ils ont découvert que la grande surface entraînait un décalage de la bande interdite ainsi que des propriétés de luminescence efficaces des nanostructures poreuses [49].

Propriétés électriques

La microscopie à force atomique (AFM) a été utilisée pour caractériser la topographie de surface et les propriétés électriques des SiNW synthétisés. Dans l'AFM, une petite sonde est balayée à travers l'échantillon, et les informations concernant la surface de l'échantillon sont recueillies à partir de l'interaction de la sonde avec la surface. Les résultats obtenus sont sous forme de topographie physique et de mesures des propriétés physiques, magnétiques et chimiques de l'échantillon. Les mesures AFM sont basées sur la déviation du porte-à-faux lorsque la topographie de la surface de l'échantillon change et que les forces interatomiques entre la pointe de la sonde et la surface de l'échantillon varient.

Le fonctionnement en mode sans contact a été utilisé pour l'imagerie de la topographie de surface ; cependant, l'AFM en mode contact a été appliqué pour les mesures électriques [22, 23, 50]. Dans ce travail, une sonde AFM conductrice disponible dans le commerce a été utilisée pour obtenir le courant en fonction de la tension (I –V ) caractéristiques et topographie de surface des réseaux SiNW. La figure 8 montre un diagramme schématique de la configuration expérimentale pour I –V caractérisation. Dans cette expérience, une sonde AFM conductrice (pointe plaquée or, rayon d'environ 10 nm, constante de force 40 Nm ⁻¹ , et fréquence de résonance 300 kHz) était en contact avec l'extrémité supérieure d'un SiNW via un fonctionnement AFM en mode contact. Une tension en rampe de 0 à 2 V.

Schéma de principe du montage expérimental pour la mesure électrique par AFM

La figure 9 montre une image SEM vue de dessus et une image topographique AFM 2D des matrices SiNW alignées verticalement sur une zone de balayage de 1,5 m  × 1,5 m. Des nanofils individuels ou groupés peuvent être observés. À partir de l'image topographique, la rugosité de surface pic à vallée s'est avérée être de 722,7 nm avec une rugosité moyenne de 127,4 nm.

Images SEM et AFM des SiNW alignés verticalement. Un fil triangulaire a été choisi pour la mesure électrique par l'AFM

La figure 10 montre le I –V courbes caractéristiques à différentes positions de pointe sur le dessus d'un SiNW autoportant. Les caractéristiques correspondent à une résistance, et le nanofil a un comportement ohmique linéaire à tous les points pour une polarisation directe jusqu'à 2,0 V. Dans ce cas, la profondeur de gravure (longueur du nanofil) est d'environ 722,7 nm, estimée à partir du pic- rugosité de la surface à la vallée (voir l'image AFM sur la Fig. 9). La résistance électrique peut être déterminée à partir de la pente du I –V courbes caractéristiques de la Fig. 10.

I–V courbes d'un SiNW autonome mesuré par AFM. Les caractéristiques correspondent au comportement de la résistance. L'encart montre la zone de balayage AFM et les positions de la sonde AFM pour la mesure électrique

La résistivité, ρ , peut être obtenu à partir de la loi d'Ohm :

où R est la résistance, A est la zone de contact correspondant à la zone de pointe de l'AFM, et L est la longueur du fil. En utilisant la longueur du fil (722,7 nm) de l'image AFM et le rayon au sommet de la pointe de l'AFM (environ 10 nm), la résistivité moyenne s'est avérée être de 33,94 Ω cm. Pour plus de détails, voir la résistance et la résistivité calculées dans le tableau 2. Ce résultat est beaucoup plus élevé que la résistivité des SiNW rapportée par Bauer et al., où ils ont obtenu une résistivité de 0,85 cm pour les nanofils développés par épitaxie par faisceau moléculaire sur un n + substrat silicium [51].

Conclusions

Les matrices SiNW ont été fabriquées avec succès par gravure autocatalytique d'une plaquette n-Si (100) dans HF/AgNO₃ . La méthode de fabrication est un processus simple, en une seule étape et peu coûteux qui n'implique pas d'équipement ou de procédures compliqués. La taille (diamètre) des SiNW varie de 20 à 200 nm. Diverses formes de SiNW ont été trouvées, notamment des formes rondes, rectangulaires et triangulaires. 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. Le I–V characteristics of a freestanding SiNW show linear ohmic behavior. The average resistivity of a SiNW is approximately 33.94 Ω cm.

Abréviations

AFM :

Microscopie à force atomique

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 :

Microscopie électronique à transmission