Fabrication facile de canaux de réseau de nanofils de ZnO auto-assemblés et sa détection UV contrôlée par porte

Contexte

Les nanomatériaux unidimensionnels sont bien connus pour présenter divers avantages par rapport à d'autres matériaux de type film ou volumineux en raison de leur surface spécifique élevée, de leurs structures cristallines uniformes bien orientées et de leurs chemins de transport de charges dirigés qui permettent des performances élevées et une fabrication facile des dispositifs [1 , 2]. En particulier, en raison de leur dimensionnalité unique, les nanofils semi-conducteurs (NW) ont été utilisés dans diverses applications telles que la conversion d'énergie, la mémoire, les dispositifs optiques et les capteurs [3,4,5,6,7,8,9]. Parmi eux, les nanoparticules d'oxyde de zinc (ZnO) ont montré d'excellentes caractéristiques de semi-conducteur avec une large bande interdite directe de 3,37 eV et une énergie de liaison d'exaction élevée de 60 meV à température ambiante [10]. De plus, le ZnO est connu pour être respectueux de l'environnement, naturellement abondant et à faible coût de production [11]. Par conséquent, le ZnO a été appliqué à une grande variété de domaines, notamment les diodes électroluminescentes [12, 13], les diodes laser [14], les cellules solaires [15,16,17,18], les photodétecteurs [19,20,21,22 ,23], des transistors à effet de champ transparents [24,25,26], des générateurs [27, 28] et des capteurs chimiques [29, 30]. Pendant ce temps, des capteurs UV basés sur des NW de ZnO ont été démontrés [31,32,33], mais les dispositifs étaient difficiles à fabriquer. Ces procédés de fabrication de dispositifs de réseau ZnO NW comprennent généralement des films de revêtement ZnO NW déposés par électrode suivis d'un processus de gravure pour définir le canal. Cette méthode est difficile à contrôler les dimensions physiques telles que l'ajustement de la largeur du canal ZnO. Pour surmonter ces problèmes, une méthode de croissance hydrothermale de ZnO NW sur des couches pré-structurées a été étudiée, mais des procédés supplémentaires de gravure et/ou de croissance hydrothermale sont nécessaires. Les méthodes de structuration des nanofils de ZnO actuellement proposées, telles que la croissance sélective induite par laser [34, 35] ou la croissance hydrothermale de ZnO NW avec des éléments chauffants localisés [36], impliquent des processus coûteux et à haute température. Il existe également un cas où un réseau de matrices de nanofils ZnO à croissance verticale est utilisé pour utiliser des réseaux de matrices de nanofils alignés avec contrôlabilité des propriétés de l'appareil [37], mais cela nécessite également beaucoup d'efforts pour nécessiter un équipement sous vide tel que CVD et n'est pas adapté pour grande surface et production à faible coût. Certains processus à basse température avec une production à faible coût basée sur l'impression par microcontact [38] ou l'impression à jet d'encre ont été suggérés [39], mais le contrôle de la densité NW et des propriétés de l'appareil correspondant reste un défi.

Dans ce travail, nous démontrons une méthode hautement reproductible et facile pour fabriquer des réseaux de capteurs UV à porte contrôlée basés sur un transistor à effet de champ (FET) de réseau ZnO NW en utilisant l'auto-assemblage sur des substrats à motifs moléculaires et un traitement thermique. Les canaux du réseau ZnO NW ont un rendement de l'appareil de 90 % avec des valeurs de résistance moyennes de quelques centaines de kΩ. On pense que le post-traitement thermique a pour effet d'éliminer les solvants organiques résiduels et d'améliorer le contact électrique entre les NW. Les dispositifs FET basés sur ZnO NW ont montré des propriétés de type n avec un rapport marche-arrêt de 10 ⁵ , transconductance d'environ 47 nS et mobilité d'environ 0,175 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Les propriétés physiques peuvent être contrôlées en modifiant les conditions d'assemblage NW telles que le modèle moléculaire, la densité NW en solution, la vitesse de traction, etc. Enfin, nous avons réalisé avec succès des réseaux de capteurs UV ZnO avec une photoréactivité et un temps de réponse contrôlables par la tension de grille appliquée. La tension de grille négative appliquée au FET de type n a minimisé le courant initial en raison de l'épuisement du canal ZnO NW. En effet, une photoréactivité maximale à la lumière UV a été trouvée à une tension de grille inférieure à - 55 V et les photoréponses se sont avérées proportionnelles à la tension de canal V _ds , montrant une photoréactivité maximale à V _ds = 7 V. De plus, la tension de grille négative a facilité la récupération de l'appareil après une exposition aux rayons UV. Il convient de noter que, bien que des rapports antérieurs sur les dispositifs de réseau ZnO NW aient été rapportés [34, 35], nos dispositifs ZnO NW ont des structures ZnO NW avec une largeur et une épaisseur de canal contrôlables sans utiliser de processus de gravure chimique ou plasma. Ce processus doux combiné à un traitement thermique inférieur à la température de recristallisation du ZnO (~ 400 °C) a permis de fabriquer facilement à grande échelle des capteurs UV contrôlés par porte avec un rapport marche-arrêt et une photoréactivité élevés. Nous nous attendons à ce que les performances de nos processus et appareils accélèrent le processus de commercialisation des applications basées sur ZnO NW.

Méthodes

Fabrication de FET de réseau ZnO NW

Des NW de ZnO d'une longueur de 2 à 3 μm et d'un diamètre de 200 nm ont été achetés auprès de Sigma-Aldrich, Inc., États-Unis. Les NW ont été dispersés à une concentration de 1 % en poids dans du dichlorobenzène (DCB) par sonication pendant 3 s. Pour préparer les substrats à motifs moléculaires, la résine photosensible (AZ 5214E) a été modelée sur un substrat de SiO2 (SiO2 de 300 nm d'épaisseur sur une plaquette de Si dopée p de 500 um d'épaisseur) par une méthode de photolithographie typique. Ensuite, le substrat a été plongé dans 1:500 v /v octadécyltrichlorosilane (OTS) dans l'hexane environ 3 min [40]. Au cours de ce processus, une monocouche de molécules OTS a été auto-assemblée à la surface du SiO₂ exposé région pour créer une région OTS non polaire. Après traitement OTS, le substrat a été immergé dans de l'acétone pendant 2 min pour éliminer la région protégée par la résine photosensible, exposant ainsi le SiO₂ polaire. régions sur lesquelles les ZnO NW doivent être assemblés. Les monocouches OTS auto-assemblées ont une terminaison méthyle qui en fait une région non polaire. D'autre part, la surface de SiO2 fonctionne comme une région polaire à partir de ses groupes hydroxyle (OH). Pour l'assemblage ZnO NW, le substrat a été plongé dans la solution NW et tiré à une vitesse de traction contrôlée comprise entre 0,5 et 10 mm min ⁻¹ . La solution de ZnO NW a été agitée avec un barreau magnétique pendant le processus de tirage à 100 tr/min pour empêcher l'agrégation et la précipitation de NW. Au fur et à mesure que le substrat était tiré, l'évaporation s'est déroulée le plus rapidement près de l'interface air-suspension-substrat, entraînant l'adsorption sélective de ZnO NW sur le SiO polaire ₂ région en raison de la force de van der Waals, tout en évitant les régions non polaires de l'OTS. Après assemblage du ZnO NW sur le substrat, des électrodes (Ti/Al, 10/300 nm) ont été déposées par dépôt thermique, suivi d'un processus de décollement.

Procédé de traitement thermique

Le traitement thermique a été effectué à une pression de 1 Torr dans l'Ar ambiant à l'intérieur d'un four. La température a été élevée à 110 °C pendant 3 min et maintenue constante pendant 10 min afin d'évaporer tout solvant restant. Ensuite, la température a été élevée à 300 °C pendant 3 min et maintenue constante pendant 10 min pour améliorer l'interface inter-NW et réduire les barrières potentielles et la résistance de contact entre les NW [41]. Ensuite, l'échantillon a été refroidi à température ambiante pendant 1 h puis sorti du four.

Mesure des propriétés électriques et photosensibles des FET du réseau ZnO NW

Les propriétés électriques telles que les caractéristiques I-V et les propriétés de grille ont été mesurées à l'aide d'une station de sonde équipée d'un analyseur de paramètres à semi-conducteurs (4200A-SCS, Keithley, États-Unis). La tension source-drain a été balayée de 0 V à 7 V. La tension de grille a été balayée de - 60 V à + 60 V. À partir des caractéristiques I-V dépendant de la grille, nous avons calculé les valeurs de transconductance et de mobilité [42, 43] . Pour éviter tout effet ambiant sur la résistance des canaux NW, la température et l'humidité relative ont été maintenues constantes à 23 ± 1 °C et 35 ± 1%, respectivement, pendant les mesures. Pour la mesure de la photoréponse aux UV, la tension source-drain V _ds a été maintenu à 7 V. La source UV était une lampe UV portable (Spectroline ENF-260C/FE, États-Unis) avec une longueur d'onde d'excitation de 365 nm et une densité de puissance de 350 μW cm ⁻² .

Résultats et discussion

La figure 1 montre le schéma décrivant la préparation des canaux de percolation du réseau ZnO NW et le traitement thermique ultérieur. Tout d'abord, un substrat à motif OTS a été plongé dans une suspension de ZnO NW (1 % en poids dans du dichlorobenzène) et extrait de la suspension de ZnO NW à l'aide d'un système de traction fait maison à différentes vitesses de traction de 0,5 mm min ⁻¹ à 10 mm min ⁻¹ (Fichier supplémentaire 1 :Figure S1). Pendant le processus de tirage, un ménisque liquide contenant des NW de ZnO a été traîné contre le substrat à motifs OTS. Les ZnO NW assemblés exclusivement sur le SiO₂ exposé régions du canal. Comme le montre l'encadré de la figure 2a, un total de 100 dispositifs ont été fabriqués sur des plaquettes de 4 pouces en utilisant notre méthode de fabrication. La figure 2a montre l'image optique d'un canal de réseau de percolation ZnO NW, et l'encart montre le réseau de périphériques FET. Le diamètre moyen d'un ZnO NW était de 200 nm, la longueur NW était de 2 à 3 μm, la longueur et la largeur du canal étaient respectivement de 6 μm et 20 μm. Après l'assemblage ZnO NW, les électrodes source-drain ont été réalisées par une technique de photolithographie conventionnelle, dépôt thermique de métal (10 nm Ti, 300 nm Al) et procédé de décollement.

Schéma de principe de la procédure de fabrication du FET du réseau ZnO NW. Assemblage de ZnO NW sur des substrats à motifs moléculaires en utilisant le processus de tirage

Formation de canaux et contrôle de l'épaisseur des dispositifs FET du réseau ZnO NW. un Image optique agrandie d'un canal de réseau NW de 6 μm de longueur et d'électrodes en Al. L'encart est une micrographie optique de dispositifs de réseau 10 × 10 avec des canaux à micro-motifs. b Images au microscope électronique à balayage (MEB) montrant l'assemblage sélectif de ZnO NW à des motifs de lignes avec diverses largeurs de lignes de 5, 10 et 20 μm. c Image AFM du réseau ZnO NWs. d Distribution moyenne de la hauteur en fonction de la vitesse de traction à différentes vitesses de traction de 0,5 à 10 mm min ⁻¹ . L'encart montre le profil de hauteur de l'AFM pour différentes vitesses de traction de 0,5, 2, 10 mm min ⁻¹

Comme le montre la Fig. 2b, nous avons pu obtenir des motifs ZnO NW avec diverses largeurs de ligne de 5, 10 et 20 μm en modifiant le SiO₂ taille du motif de région. Les régions OTS environnantes sont non polaires en raison des terminaisons méthyle des molécules OTS. On pense que les NW ne s'adsorbent que sur le SiO₂ polaire régions par interaction de van der Waals [40]. L'assemblage sélectif de ZnO NW a également été confirmé par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) (voir le fichier supplémentaire 1 :Figure S2). Ici, les signaux de Zn étaient confinés aux régions avec des NW de ZnO.

Les propriétés physiques de la percolation des canaux du réseau ZnO NW, telles que l'épaisseur et la densité, ont été contrôlées en modulant la vitesse d'extraction du substrat à partir de la solution NW lors de l'assemblage NW. La figure 2c montre les images AFM (microscopie à force atomique) de réseaux ZnO NW assemblés à différentes vitesses de traction de 0,5, 2 et 10 mm min ⁻¹ . Le profil de hauteur moyen en fonction de la vitesse de traction est illustré à la Fig. 2d. La densité NW était de 1,21 NW μm ⁻² à une vitesse de traction de 0,5 mm min ⁻¹ , et 0,09 NW m ⁻² à 10 mm min ⁻¹ . L'épaisseur du canal NW a augmenté en réduisant la vitesse de traction. La hauteur du canal NW était généralement environ 1,5 à 2 fois plus élevée que le diamètre moyen NW unique de 200 nm à la vitesse la plus lente de 0,5 mm min ⁻¹ (Fig. 2d, encadré). À une vitesse de traction de 10 mm min ⁻¹ , la connexion réseau a atteint la limite de percolation, au-delà de laquelle le réseau n'a montré aucune connexion. Les méthodes actuelles de fabrication de dispositifs de réseau ZnO NW impliquent généralement le dépôt d'électrodes d'un film recouvert de ZnO NW, suivi d'une sorte de processus de gravure pour définir les canaux [38, 39]. Cette méthode est difficile à contrôler les dimensions physiques telles que l'ajustement de la largeur du canal ZnO. Pour surmonter ces problèmes, une méthode utilisant la croissance hydrothermale de ZnO NW sur des couches pré-structurées a été étudiée [44, 45], mais elle nécessite également un processus de gravure supplémentaire et/ou des processus de croissance hydrothermale qui prennent du temps et de l'argent. En revanche, notre méthode peut facilement contrôler la largeur et la longueur d'un canal en modelant préalablement le canal avec des molécules OTS, puis en assemblant les NW via un système de traction.

Les propriétés électriques peuvent également être contrôlées en modulant la vitesse de traction. La figure 3 montre les propriétés électriques avant le traitement thermique. La figure 3a montre le changement des caractéristiques I-V avec différentes vitesses de traction. Lorsque la vitesse de traction a été réduite de 2 à 0,5 mm min ⁻¹ , le courant initial est passé de 5 à 50 nA à 1 V. Cela est probablement dû à l'augmentation de la connectivité du réseau avec une densité NW accrue dans le canal. Les courbes caractéristiques I-V dépendant de la grille typiques d'un FET ZnO NW fabriqué à 2 mm min ⁻¹ la vitesse de traction est illustrée à la Fig. 3b, c. La figure 3b affiche les caractéristiques I-V à différentes tensions de grille V _g (de − 60 V à 60 V par pas de 20 V). Le Je _ds -V _g les caractéristiques de grille de la figure 3c montrent des caractéristiques typiques de type n avec un rapport marche-arrêt accru de cinq ordres de grandeur du courant de coupure de 3 pA à 556 nA et une diminution du courant de coupure lorsque la vitesse de traction a été augmentée de 0,5 à 2 mm min ⁻¹ (voir le fichier supplémentaire 1 :Figure S3). Cette augmentation du rapport marche-arrêt avec une densité de film réduite peut être expliquée en notant que le canal est plus affecté par le champ électrique de la porte arrière lorsque nous amincissons le canal NW [46]. De plus, la vitesse de traction a un effet sur le rendement de l'appareil et la distribution de fréquence de résistance à deux sondes (Fichier supplémentaire 1 :Figure S4). La résistance montre la valeur moyenne de 28,2 ± 4 MΩ et ~ 92 % de rendement à 0,5 mm min ⁻¹ . Cependant, la distribution passe à 877 ± 280 MΩ et ~ 78% de rendement à 2 mm min ⁻¹ vitesse de traction. Ici, le rendement est défini comme la fraction du nombre d'appareils avec des valeurs de résistance mesurables supérieures au bruit de l'équipement.

Connectivité et propriétés électriques du réseau ZnO NW par contrôle de la vitesse de tirage. un Propriétés électriques du FET du réseau ZnO NW de la vitesse de traction 0,5 et 2 mm min ⁻¹ . Caractéristiques courant-tension typiques des appareils fabriqués à différentes vitesses de traction de 0,5 et 2 mm min ⁻¹ . Les canaux réseau ont montré un contact Schottky de − 1 à 1 V. Les encarts sont des images SEM du canal réseau à 0,5 (en haut à gauche) et 2 (en bas à droite) mm min ⁻¹ . Les barres d'échelle sont de 10 μm dans les deux cas. b Caractéristiques courant-tension de diverses tensions de grille arrière. V _g variait de − 60 V à 60 V par pas de 20 V. c Je _ds contre V _g relations du canal du réseau ZnO NWs fabriqué à divers V _ds . V _ds variait de 0 à 7 V par pas de 1 V

Ici, la caractéristique de grille du FET n'a pas un régime de saturation propre. Selon les rapports précédents, le réseau ZnO NW ne présentait pas de régime de saturation propre, probablement en raison de la diffusion accrue des porteurs par le chemin complexe du réseau NW, la grande surface et les joints de grains aux jonctions NW [47]. Notre réseau ZnO NW forme un certain nombre de chemins entre une source et un drain. En outre, le canal du réseau ZnO NW ayant une épaisseur allant jusqu'à environ 0,4 μm (Fig. 2d). L'épaisseur non uniforme du nanofil entraîne une distance différente à la grille pour chaque nanofil, et le degré de modulation est légèrement différent. Par conséquent, la caractéristique FET n'a pas un régime de saturation propre comme un FET à nanofil unique.

Les propriétés électriques des dispositifs tels que produits peuvent être améliorées par un processus de traitement thermique ultérieur pour améliorer l'uniformité des propriétés électriques et réduire davantage la résistance de contact entre les NW [41]. Le traitement thermique a été effectué dans des conditions de basse pression à 300 °C pendant 10 min tout en faisant circuler du gaz Ar à 100 scccm (voir le fichier supplémentaire 1 :Figure S5). La figure 4 montre le changement de propriété électrique des échantillons fabriqués à 2 mm min ⁻¹ vitesse de traction. Après le traitement thermique, le courant à 1 V de polarisation est passé de 600 nA à 6,5 μA (Fig. 4a). La distribution de fréquence de résistance sur la Fig. 4b montre une baisse de la résistance moyenne de 877 ± 280 MΩ à 207 ± 37 kΩ, soit environ 3 ordres de grandeur. En outre, le rendement du dispositif est passé de 78 à 90 %, probablement en raison du contact électrique amélioré entre les NW. Nous nous sommes concentrés sur l'utilisation des avantages de l'amélioration de la connexion NW grâce au traitement thermique. Pour cette raison, la température n'a pas été élevée à plus de 400 °C où le ZnO recristallise. Il a été rapporté qu'une telle recristallisation affecte les caractéristiques de désorption et d'adsorption d'oxygène à la surface du ZnO pendant l'éclairage UV [41]. Par conséquent, afin d'obtenir uniquement l'amélioration de la connexion entre les NW grâce au traitement thermique, un traitement thermique a été effectué jusqu'à 300 °C pour améliorer l'interface entre les NW. Cela a permis d'améliorer la stabilité et les caractéristiques électriques. Nous pensons que notre processus de traitement thermique pourrait éliminer les molécules adsorbantes telles que l'humidité ou l'hexaméthylènetétramine (HMTA), car la température de notre processus est supérieure au point de fusion de l'HMTA (290 °C). Cela a permis d'améliorer les performances du FET NW, car il améliore la jonction entre les NW et élimine les autres molécules adsorbantes qui dégradent les performances des NW, telles que l'humidité.

Propriétés électriques du réseau ZnO NWs après traitement thermique. un Caractéristiques courant-tension typiques avant et après recuit de la vitesse de traction 2 mm min ⁻¹ . Les canaux du réseau ont montré un comportement de contact Schottky. (en médaillon) Caractéristiques I–V avant recuit, agrandies. b Distribution de fréquence de résistance du réseau ZnO NWs tiré à une vitesse de 2 mm min ⁻¹ . La résistance moyenne a diminué pendant environ trois ordres. (c ) Caractéristiques I–V à différentes tensions de grille arrière. V _g variait de − 60 V à 60 V par pas de 20 V. d Propriétés électriques de I _ds contre V _g après traitement thermique. e Comparaison de I /Je _désactivé rapport à différents V _g valeurs, avant et après traitement thermique (V _g pas = 5 V). f Transconductance améliorée par traitement thermique

Le I typique _ds -V _ds et Je _ds -V _g les courbes caractéristiques d'un FET ZnO NW sont illustrées à la Fig. 4c, d. La figure 4e montre que I _ds -V _g les courbes caractéristiques sont similaires avant et après traitement thermique, et le maximum I _sur /I _désactivé le rapport est ~ 2 × 10 ⁵ . Cela indique que le traitement thermique n'améliore la connexion entre les NW que pour abaisser la résistance et ne provoque pas de modification des propriétés électriques intrinsèques. La figure 4f montre l'amélioration de la transconductance dI _ds /dV _g après traitement thermique, ce qui peut être attribué à la mobilité accrue des électrons dans le dispositif ZnO NW. La transconductance maximale (g _m = dI _ds /dV _g ) a été extraite de la pente maximale du I _ds -V _g caractéristiques et le rapport marche-arrêt maximal à 7 V de V_ds . (Fichier supplémentaire 1 :Figure S6). La transconductance maximale calculée était de ~ 47 nS à V _g = − 30 V. Nous avons utilisé la formule μ = g _m ·L /(W ·C _d ·V _ds ) pour le calcul de la mobilité estimée [48]. La mobilité a été calculée à 0,175 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Ceci est comparable aux valeurs précédemment signalées de 0,018 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ en utilisant le tableau de périphériques ZnO NWs [49].

Enfin, nous avons observé la photoréponse UV des FET du réseau ZnO et sa dépendance à la tension de grille. La figure 5a montre les caractéristiques I-V avec un éclairage UV à une tension de grille différente (de − 60 V à 60 V, par pas de 20 V). Le Je _ds -V _g Les caractéristiques sous éclairage UV de la Fig. 5b montrent une diminution du rapport marche-arrêt. La lumière UV a eu pour effet d'augmenter le courant de coupure du dispositif FET de type n en créant un porteur photoexcité. La figure 5c montre la différence de courant mesuré pour les conditions d'activation et de désactivation de la lumière UV. La photoréactivité UV (I _lumière /I _sombre :rapport du photocourant au courant d'obscurité) varie en fonction de la tension de grille appliquée et affiche la valeur de rapport maximale de 8,6 × 10 ⁵ à V_g − 55 V ou moins. L'encart de la figure 5c montre I _ds -V _g caractéristiques avec et sans éclairage UV lorsque V_ds = 7 V (V _ds -Je _ds les caractéristiques apparaissent dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S7). La figure 5d montre une relation linéaire entre le I _lumière /I _sombre et le rapport de courant marche-arrêt (I _sur /I _désactivé ). Le Je _sur /I _désactivé augmentation conduit à l'amélioration de la photoréactivité aux UV. Pour montrer l'amélioration avec une augmentation de la valeur actuelle V _ds , nous traçons les données de la Fig. 5d sous la forme d'une valeur marche-arrêt en fonction du courant (encart). Ensuite, le V _g = − 60 V et V _ds = 7 La condition V était la condition optimale où le I _lumière /I _sombre le rapport était maximum lors de la comparaison avant et après l'éclairage UV.

Caractéristiques de détection UV des FET ZnO NW. un Caractéristiques I-V sous éclairage UV à différentes tensions de grille arrière. V _g variait de − 60 V à 60 V par pas de 20 V. b Propriétés électriques de I_ds vs V_g sous éclairage UV. c Je _lignée /Je _sombre comme un changement de tension de grille. Maximum I _lignée /Je _sombre a été obtenu vers V g ~ − 55 V. Encart, I _ds -V _g caractéristiques sous éclairage UV et dans l'obscurité. d Relation linéaire entre le rapport photo/courant d'obscurité (I _lignée /Je _sombre ) et le rapport de courant marche-arrêt initial (I _sur /Je _désactivé ) du FET ZnO NW. L'encart montre le I initial _sur /Je _désactivé rapport pour divers V _ds . Le maximum I _sur /Je _désactivé le rapport était à V _ds = 7 V. e Photoréponse du photodétecteur FET du réseau ZnO NW avec et sans illumination UV dans l'air. L'encart montre les caractéristiques de décroissance exponentielle après l'extinction de la lumière UV. f Photoréponse résolue dans le temps des dispositifs du canal réseau ZnO NW enregistrée en allumant et en éteignant la lumière UV

Je _ds -V _g les caractéristiques sous lumière UV ont montré que le transistor passait d'un état semi-conducteur (Fig. 4c) à un état conducteur (accumulation) (Fig. 5b). On peut s'attendre à ce que ce changement augmente la concentration de porteurs photoexcités à un niveau dégénéré sous la lumière UV [50]. Le Je _lumière /Je _sombre les ratios de nos appareils étaient d'environ 2 × 10 ⁴ , 10 et 6, à des tensions de grille de - 60 V, 0 V et 60 V, respectivement (Fig. 5e). Cela montre que la photoréactivité aux UV peut être ajustée par la tension de grille. Comme V _g diminué, la photoréactivité a augmenté.

Nous avons comparé les performances de photoréactivité des photodétecteurs basés sur le réseau ZnO NW d'autres études. Par exemple, les réseaux de nanofils de ZnO cultivés par CVD ont montré une photoréactivité aux UV (I _lumière /Je _sombre ) sur ~10  ⁴ [33, 51]. Dans notre cas, nous pourrions obtenir une réactivité similaire du photodétecteur de 2 × 10 ⁴ sans utiliser de procédés à haute température et/ou à vide poussé. D'autres études utilisant des méthodes telles que l'impression à jet d'encre [47] ou les nanofils alignés verticalement [52] ont montré des niveaux de photoréactivité de 10 ³ à 10 ⁴ , qui sont comparables ou légèrement inférieurs à notre étude (voir Fichier supplémentaire 1 :Figure S8). De plus, nos recherches montrent des caractéristiques contrôlables par la porte, ce qui est avantageux pour régler la sensibilité de l'appareil en fonction des conditions d'éclairage.

La réponse UV de ZnO NWs peut être expliquée par la modulation de la région d'appauvrissement résultant de la désorption et de l'adsorption d'oxygène [53]. La lumière UV provoque la désorption des ions oxygène adsorbés sur la surface du ZnO NW. La désorption d'oxygène augmente l'épaisseur effective du canal, ce qui entraîne une augmentation du courant à travers les NW. De plus, la réduction de la zone de désorption due à la désorption de l'oxygène par la lumière UV abaisse la hauteur de la barrière de jonction entre les NW, ce qui rend la dérive du flux de courant plus efficace [54, 55]. Étant donné que nos appareils présentaient des comportements semi-conducteurs de type n, le courant d'obscurité a été minimisé à un grand V négatif. _g . Par conséquent, la photoréactivité à la grande tension de grille négative a été maximisée (voir le fichier supplémentaire 1 :Figure S9).

De plus, la tension de grille affecte le temps de récupération à l'état initial lorsque la lumière UV est éteinte. Le temps de chute (décroissance) lorsque V _g = − 60 V et + 60 V sont respectivement 52 s et 141 s, montrant la différence par trois fois (encadré, Fig. 5e). Le temps auquel le courant augmente (temps de montée) ou diminue (temps de descente) de 10 % à 90 % est défini comme le temps de récupération. Le champ électrique dû à la polarisation de la grille affecte la possibilité de recombinaison des électrons et des trous dans le processus d'absorption des molécules d'oxygène qui ont été désorbées par la lumière UV [56, 57]. Celui-ci intervient dans le temps de retour à l'état initial de l'appareil. Par conséquent, le temps de récupération pourrait être retardé ou court en fonction du champ électrique. La figure 5f montre la photoréponse répétitive en appliquant V _g = − 60 V. Cela montre la photoréponse résolue dans le temps des dispositifs de canal de réseau ZnO NW enregistrée en allumant et en éteignant la lumière UV. Nous avons confirmé qu'aucune dégradation de la photoréactivité ne se produit pour les réponses UV répétitives.

Conclusions

Nous avons démontré une méthode de fabrication efficace de réseaux de capteurs UV contrôlés par porte à l'aide de FET ZnO NW. Nos dispositifs ZnO NW ont des structures ZnO NW avec une largeur et une épaisseur de canal contrôlables sans utiliser de processus de gravure chimique ou plasma. -Capteurs UV contrôlés avec un rapport marche-arrêt élevé et une photoréactivité avec un rendement de l'appareil de 90%. Les capteurs UV du réseau ZnO NWs affichent des propriétés de porte de type n avec un rapport marche-arrêt de 10 ⁵ , transconductance d'environ 47 nS et mobilité d'environ 0,175 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Ces propriétés électriques peuvent être modulées par des paramètres de processus dans la méthode de tirage tels que la vitesse de tirage. Les propriétés électriques peuvent être encore améliorées avec la méthode de traitement thermique. Les appareils présentent une sensibilité élevée à la lumière UV, et la photoréactivité et le temps de réponse peuvent être contrôlés par la tension de grille. Nous nous attendons à ce que les performances de nos processus et appareils accélèrent le processus de commercialisation des applications basées sur ZnO NW.

Abréviations

AFM :

Microscopie à force atomique

DCB :

Dichlorobenzène

EDS :

Spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie

FET :

Transistor à effet de champ

HMTA :

Hexaméthylènetétramine

NW :

Nanofil

OTS :

Octadécyltrichlorosilane

SEM :

Microscope électronique à balayage

ZnO :

Oxyde de zinc