Propriétés photoélectriques étudiées sur des nanofils de silicium individuels et leur dépendance de la taille

Introduction

Les nanofils de silicium (Si NW) ont attiré une grande attention ces dernières années en raison de leurs propriétés uniques et de leur compatibilité avec la technologie traditionnelle du silicium. Les Si NW ont été démontrés pour une variété d'applications, telles que les circuits logiques intégrés, les cellules solaires, les dispositifs thermoélectriques et les biocapteurs [1,2,3,4,5]. En particulier, lorsqu'ils sont disposés de manière hautement ordonnée, les Si NW peuvent considérablement améliorer l'absorption de la lumière et la collecte des charges, ce qui leur permet d'atteindre une efficacité élevée à la fois dans les cellules solaires et les photodétecteurs [6,7,8]. Au cours des dernières décennies, la croissance contrôlable de ces réseaux de nanofils ordonnés ainsi que la fabrication optimale de dispositifs photovoltaïques (PV) ont été intensivement étudiées [9,10,11]. Inversement, il existe beaucoup moins d'études fondamentales sur les caractéristiques photoélectriques de ces réseaux Si NWs, en particulier sur les nanofils individuels à l'intérieur des réseaux.

Afin de réaliser les applications des réseaux de nanofils ordonnés dans les cellules solaires et les dispositifs photovoltaïques, il est extrêmement important de bien comprendre leurs propriétés photoconductrices. De nos jours, les propriétés photoconductrices des réseaux de nanofils sont généralement étudiées par des méthodes macroscopiques avec le dépôt d'électrodes bilatérales sous irradiation lumineuse [12, 13]. Cependant, pour une analyse plus précise, il est nécessaire d'obtenir les propriétés sur des nanofils simples ou individuels plutôt que des résultats moyennés. Outre les études appliquant des dispositifs à nanofil unique qui ne sont pas faciles à fabriquer, les mesures électriques basées sur la microscopie à sonde à balayage (SPM) se sont révélées être des techniques puissantes pour les caractérisations électriques à l'échelle nanométrique [14, 15]. Parmi ces techniques SPM, la microscopie à force atomique conductrice (CAFM) a été le plus souvent appliquée pour étudier les propriétés conductrices de nanostructures individuelles telles que les films, les hétérostructures ainsi que les nanofils [16,17,18,19,20]. En combinant avec l'irradiation laser, il peut être modifié en tant que microscopie photoconductrice à force atomique (PCAFM) qui fournit une voie pour étudier les propriétés photoconductrices sur des nanostructures individuelles [21, 22]. Ces dernières années, le PCAFM a déjà été utilisé pour des mesures de photocourant sur des cellules solaires organiques [23,24,25,26] et inorganiques [27,28,29], ainsi que sur certaines nanostructures, notamment des couches minces de Si microcristallines, des hétérostructures de CdS , MoS₂ films et ZnO NWs [30,31,32,33]. Pourtant, la plupart de ces études se sont concentrées sur l'influence de l'irradiation laser avec des intensités de puissance ou des longueurs d'onde variées, tandis que quelques recherches concernaient l'effet de la taille des nanofils.

D'autre part, pour obtenir un réseau Si NWs avec d'excellentes propriétés photoconductrices, il est tout à fait nécessaire d'obtenir leur dépendance en taille pour l'optimisation du diamètre et de la longueur des nanofils. Par conséquent, au cours des dernières décennies, de nombreux efforts ont été consacrés à la révélation de la dépendance de la taille des propriétés photoconductrices en utilisant des méthodes macroscopiques ou des dispositifs à nanofil unique [34, 35]. En ce qui concerne la dépendance à la longueur, de nombreuses recherches ont montré que le photocourant augmentait avec l'augmentation de la longueur des nanofils en dessous d'une valeur spécifique, variait de 1 à 18 μm, puis diminuait à mesure que la longueur augmentait [12, 36, 37], tandis qu'une autre étude a rapporté que la photoconductance augmente de façon sublinéaire avec la diminution de la longueur [38]. Pendant ce temps, les résultats de la dépendance au diamètre étaient encore très incohérents. Par exemple, les travaux de Kim et al. ont constaté que la photoconductance des nanofils de Ge intrinsèques augmentait avec la diminution du diamètre [35], tandis que d'autres travaux sur les nanofils de GaN ont trouvé que le photocourant augmentait à mesure que le diamètre augmentait [39]. Par conséquent, la dépendance de la taille des propriétés photoconductrices sur les nanofils est loin d'être bien comprise.

Dans cet article, des réseaux ordonnés de Si NWs alignés verticalement avec des diamètres et des longueurs contrôlables sont fabriqués avec succès par la méthode de lithographie à nanosphères (NSL) combinée à une gravure chimique assistée par métal (MACE), comme indiqué dans des études précédentes [1, 40]. Leurs propriétés photoconductrices sont étudiées par PCAFM sans autre nanofabrication. Nos résultats démontrent que le photocourant mesuré sur des Si NW individuels augmente considérablement avec l'intensité du laser, et la magnitude croissante est évidemment liée à la taille des nanofils. Les Si NW avec des diamètres plus petits et des longueurs plus courtes sont plus photoconducteurs. D'autre part, les mesures effectuées par microscopie à force électrostatique (EFM) combinées à une irradiation laser ont fourni des informations sur les charges photogénérées et la modification de la hauteur de la barrière, qui peuvent être utilisées pour expliquer la conductance photoaméliorée dépendante de la taille des Si NW. Par conséquent, cette étude révèle non seulement les propriétés photoélectriques dépendantes de la taille des Si NW, mais suggère également que PCAFM et EFM sont des outils efficaces pour étudier les propriétés photoélectriques de nanostructures individuelles ainsi que pour explorer la dépendance de la taille (ou d'autres paramètres).

Matériaux et méthodes

Matériaux

Les plaquettes de Si ont été achetées auprès de MTI (Chine). De l'eau déminéralisée (DI, 18,2 MΩ cm) a été obtenue à partir d'un système d'ultrafiltration (Milli-Q, Millipore, Marlborough, MA). L'acétone, le méthanol, l'acide sulfurique, le peroxyde d'hydrogène et l'acide fluorhydrique ont été achetés auprès de Sinopharm Chemical Reagent (Chine). Les suspensions (2,5 % en poids dans l'eau) de sphères de polystyrène (PS, 490 nm de diamètre) ont été achetées auprès de Duke Scientific (États-Unis).

Fabrication et caractérisation de Si NWs

Des réseaux de nanofils de silicium ordonnés verticalement ont été fabriqués par NSL et MACE, comme indiqué dans des études précédentes [1, 40]. Les principaux procédés de fabrication sont simplement décrits comme suit. Tout d'abord, des sphères de polystyrène (PS) ont été auto-assemblées sur la plaquette de Si nettoyée chimiquement (type n, 0,01 à 0,02 Ω cm). Ensuite, le diamètre des sphères de PS a été réduit par gravure ionique réactive (RIE, Trion Technology) (50 W, 70 mTorr) à une valeur souhaitée, et la monocouche de PS à diamètre réduit a agi comme un masque dans les procédures suivantes. Après un dépôt d'un film d'Au de 20 nm par pulvérisation cathodique ionique qui a servi de catalyseur pour le traitement MACE suivant, l'échantillon a été plongé dans la solution mixte de HF (40 %) et H₂ O₂ (30 %) avec un rapport volumique de 4:1 pour le procédé MACE et des Si NWs alignés verticalement ont été produits par cette procédure. Enfin, la couche d'Au et les sphères PS restantes ont été retirées en trempant l'échantillon dans KI/I₂ solution mixte et solution de tétrahydrofurane, respectivement. La morphologie après chaque étape a été vérifiée par microscopie électronique à balayage (MEB, SIGMA300). Des images SEM typiques d'une monocouche de PS auto-assemblée originale, d'une monocouche de PS à diamètre réduit et des NW de Si fabriqués après avoir retiré la couche d'Au et les sphères de PS ont été montrées sur les figures 1a–c, respectivement. On peut voir que des réseaux ordonnés de Si NW alignés verticalement ont été réalisés à grande échelle. De plus, en ajustant le temps RIE et MACE, le diamètre et la longueur des nanofils peuvent être bien contrôlés [40].

un –c Images SEM des principales procédures pour fabriquer un tableau Si NWs aligné verticalement :a Monocouche PS auto-assemblée, b monocouche PS à diamètre réduit et c réseau Si NWs fabriqué. d Spectre EDX mesuré sur Si NWs. e Schémas de principe de PCAFM et EFM sous irradiation laser

En outre, la composition de ces nanofils a été mesurée en utilisant la spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDX, OXFORD, Aztec X-Max 80). Un spectre EDX typique mesuré sur des nanofils de Si après immersion HF est affiché sur la Fig. 1d. Les résultats montrent que les nanofils sont dominés par le silicium (~ 95,6%) à l'exception des traces d'oxygène (4,4%). Pour confirmation, les mesures EDX ont été répétées plusieurs fois sur différentes zones de l'échantillon, et les résultats mesurés étaient bien conformes, la concentration en oxygène variant de 0 à 7,2%. Par conséquent, on pourrait grossièrement considérer que les Si NW fabriqués sont purs et exempts de toute autre impureté, à l'exception d'une légère oxydation en surface. Nos résultats sont en bon accord avec ceux rapportés dans des études précédentes par HRTEM ou EDX [41, 42], dans lesquelles il a été constaté que les Si NW fabriqués par la même méthode MACE pouvaient principalement conserver leurs structures cristallines et seule une fine couche amorphe a été observée sur le surface de paroi des NWs [43, 44]. Un SiO₂ fin s'est avérée être formée sur la surface poreuse du nanofil, sans aucune autre impureté détectée sur la surface [41].

Les mesures photoélectriques sur des Si NW individuels ont été effectuées avec un équipement SPM commercial (Multimode V, Bruker Nano Surfaces), comme schématisé sur la Fig. 1e. Dans PCAFM, la pointe conductrice balayait la surface de l'échantillon en mode contact avec une tension de polarisation appliquée entre le substrat et la pointe électriquement mise à la terre, et le courant résultant a été mesuré. L'irradiation laser a été introduite dans la tête SPM à travers une fibre de 400 µm. Une diode laser de 405 nm à intensité réglable (lasers DPSS, MDL-III) a été focalisée sur le substrat et la zone du spot laser était d'environ 1 mm ² sous la pointe revêtue de Pt/Cr. Pour obtenir les mesures de courant stables à chaque intensité laser, nous attendrions quelques minutes avant les mesures pour réduire autant que possible l'état instable causé par le changement d'intensité laser. En revanche, il fallait plus de dix minutes pour terminer chaque mesure d'image en cours. Comme nous voulons terminer la mesure actuelle sous différentes intensités laser avant que les nanofils ne soient sérieusement oxydés, les intensités laser avec un intervalle relativement grand (2 W/cm ² ) variait de 0 à 8 W/cm ² ont été choisi. Les images de courant photoconducteur ainsi que les courbes I-V ont été mesurées sur des nanofils individuels sous différentes irradiations laser. En utilisant l'EFM, la topographie de l'échantillon et le déphasage induit par la force électrique ont pu être enregistrés par un mode à deux passes. Au premier passage, l'image topographique a été obtenue en mode tapotement. Dans le deuxième passage soulevé (la pointe a été soulevée suffisamment haut pour négliger le déphasage induit par la force de van der Waals), une polarisation CC a été appliquée entre la pointe et l'échantillon et le signal de déphasage déterminé par le gradient de force électrique a été détecté. Les principes de fonctionnement détaillés ont pu être trouvés dans des études antérieures [45, 46]. Des pointes revêtues de Pt/Cr (Multi75E-G, capteurs Budget, rayon d'environ 25 nm) ont été appliquées dans toutes les mesures électriques et toutes les expériences ont été réalisées dans un N₂ fluide. ambiant. Chaque échantillon a été pré-trempé dans la solution HF (5 %) pendant 30 s pour éliminer la couche d'oxyde à la surface de l'échantillon, puis l'échantillon a été lavé dans de l'eau déminéralisée pendant au moins 5 min afin qu'aucun HF ne reste sur le surface, sauf que la surface de Si a été passivée à l'hydrogène, ce qui pourrait protéger la surface de Si de la réoxydation et maintenir les caractéristiques des semi-conducteurs pendant environ 60 min [47]. Après le trempage HF, l'échantillon a été mesuré immédiatement, afin de réduire autant que possible l'influence de la couche d'oxyde sur la caractérisation électrique.

Résultats et discussion

Mesures de propriétés photoconductrices sur des NW Si uniques

En combinant avec une irradiation laser, les propriétés photoconductrices des Si NW sont étudiées par PCAFM en fonction de l'intensité du laser. Les images de courant typiques obtenues sur les Si NW avec un diamètre de 190 nm et une longueur de 800 nm sous différentes irradiations laser à un biais d'échantillon de − 1,5 V sont présentées sur la Fig. 2b–f, ainsi que l'image topographique illustrée sur la Fig. 2a . Comme la pointe était un coin avec un grand angle la rendant incapable d'atteindre le bas, en particulier les images ont été obtenues en mode contact, les nanofils observés sont quelque peu déformés et seul le courant sur la face supérieure des nanofils peut être mesuré. Quoi qu'il en soit, la distribution actuelle des nanofils individuels peut être clairement observée à partir des images actuelles. Dans l'image actuelle sans irradiation laser (Fig. 2b), les Si NW présentent une conductance légèrement meilleure sur la plupart des bords qu'au centre, ce qui a été attribué à la plus grande zone de contact latéral entre la pointe et le nanofil [40]. Sous irradiation laser, le courant de Si NWs augmente évidemment avec l'intensité du laser (Fig. 2c, d), tandis que la surface conductrice des nanofils augmente en conséquence. Pour obtenir une relation distincte entre le photocourant et l'intensité laser, les courants moyens de Si NW sont calculés sur tous les nanofils dans les cartes de courant, qui sont présentées sur la Fig. 2g en fonction de l'intensité laser. Les résultats montrent que le courant moyen augmente d'environ deux fois (de 85 à 146 pA) lorsque l'intensité du laser augmente de 0 à 8 W/cm ² , indiquant que davantage de porteurs sont générés sous irradiation laser.

La topographie (a ) et des images actuelles de Si NW d'une longueur de 800 nm et d'un diamètre de 190 nm sous différentes intensités laser de b 0, c 2, d 4, e 6 et f 8 W/cm ² . g présente le courant moyen (I _av ) sur les nanofils en fonction de l'intensité laser. h montre la photoréponse en fonction de l'intensité laser

Dans les études précédentes [32, 48], la photoréponse était généralement appliquée pour décrire la capacité de réponse des photodétecteurs, qui était définie comme :

où je _L et Je _D sont le courant avec et sans irradiation laser, respectivement. P _inc est le produit de la densité de puissance laser incidente divisé par la surface effective de la surface de contact entre la pointe et l'échantillon, q est la charge élémentaire et hν est l'énergie du photon. Dans notre cas, la zone de contact de l'effet est d'environ 2 × 10 ^–11 cm ² en utilisant le rayon de pointe de 25 nm, et par conséquent, la photoréponse de Si NW peut être calculée comme étant d'environ 2,3 à une intensité laser de 2 W/cm ² , indiquant que les Si NW ont une excellente capacité d'amélioration des photos. La figure 2h présente la photoréponse en fonction de l'intensité du laser, et on peut voir que la photoréponse diminue avec l'augmentation de l'intensité du laser, mais toutes les valeurs sont toujours supérieures à 1. Ainsi, les résultats ci-dessus démontrent que l'irradiation laser peut grandement améliorer la conductance de Si NWs, suggérant son potentiel d'application prometteur dans les photodétecteurs.

Pour étudier la dépendance de la taille des propriétés photoconductrices, des mesures de photocourant ont été effectuées sur les Si NW avec différents diamètres et longueurs. Des images courantes typiques de Si NW avec la même longueur de 350 nm mais des diamètres différents de 190 à 350 nm sont présentées dans le fichier supplémentaire 1 :Fig. S1 sous 0, 4 et 8 W/cm ² irradiation laser avec le même biais d'échantillon de - 1,5 V. Les courants moyens de Si NWs calculés sur tous les nanofils dans les images actuelles sont présentés sur la figure 3a en fonction de l'intensité du laser. On peut voir que la conductance de Si NW avec tous les diamètres augmente évidemment avec l'augmentation de l'intensité laser. Sous la même intensité laser, les valeurs de courant absolues augmentent de manière significative à mesure que le diamètre diminue de 350 à 190 nm. Ces résultats suggèrent que les NW de Si avec des diamètres plus petits sont plus conducteurs que ceux avec des diamètres plus grands. La photoréponse moyennée sur les intensités laser est présentée sur la figure 3b pour différents diamètres. On peut voir que la photoréponse diminue avec l'augmentation du diamètre, ce qui signifie que les Si NW avec des diamètres plus petits ont une meilleure capacité de photoréponse. Par contre, le photocourant (I _L − Je _D ) à une intensité laser de 8 W/cm ² pour différents diamètres est illustré à la Fig. 3c. Cela montre clairement que le photocourant diminue à mesure que le diamètre augmente, indiquant que les Si NW avec des diamètres plus petits ont une meilleure photoconductance.

un Le courant moyen (I _av ) de Si NW de diamètres différents en fonction de l'intensité laser. b La photoréponse moyennée sur les intensités laser en fonction des diamètres. c La dépendance du photocourant sur le diamètre à l'intensité laser de 8 W/cm ² . d Le Je _av de Si NWs avec des longueurs différentes en fonction de l'intensité du laser. e La photoréponse moyenne sur les intensités laser en fonction de la longueur. f La dépendance du photocourant sur la longueur à l'intensité laser de 8 W/cm ²

Des mesures similaires sont effectuées sur des Si NW de même diamètre mais de longueurs différentes. Les résultats des nanofils d'un diamètre de 190 nm et de longueurs de 350 à 960 nm sont présentés dans le fichier supplémentaire 1 :Fig. S2. Les courants moyens de nanofils de différentes longueurs sont présentés sur la figure 3d. Avec l'augmentation de l'intensité du laser, tous les nanofils présentent une augmentation évidente de la conductance, et les Si NW les plus courts ont la conductance la plus élevée sur toute la plage d'intensité du laser jusqu'à 8 W/cm ² . La photoréponse et le photocourant en fonction de la longueur des nanofils à l'intensité laser de 8 W/cm ² sont présentés dans les Fig. 3e, f, respectivement. On peut voir qu'avec l'augmentation de la longueur de 350 à 960 nm, la photoréponse ne montre pas une dépendance évidente de la longueur, tandis que le photocourant diminue largement avec l'augmentation de la longueur.

Analyse des courbes I-V et hauteur de la barrière Schottky en fonction de la taille

Comme indiqué dans nos travaux précédents [40], dans les mesures CAFM sur Si NW, la résistance de contact pointe-nanofil doit être prise en compte, dans laquelle la barrière Schottky joue un rôle important. Pour étudier le rôle de la barrière Schottky dans la photoconductance et l'effet de l'irradiation laser sur la hauteur de la barrière, des courbes courant-tension (I-V) sont enregistrées sur des Si NW individuels. Des courbes I-V typiques sur les Si NW avec un diamètre de 190 nm et une longueur de 800 nm sous différentes irradiations laser sont présentées sur la figure 4a. Toutes les courbes I-V présentent une caractéristique I-V typique du contact métal et semi-conducteur de type n, indiquant que l'effet de la couche d'oxygène sur la conductance n'est pas sérieux et donc ignoré dans la discussion suivante. On peut observer qu'au fur et à mesure que l'intensité laser augmente, le courant des Si NWs augmente évidemment. L'amélioration peut atteindre environ 3 fois lorsque l'intensité du laser passe de 0 à 8 W/cm ² sous le biais de -1,5 V, ce qui est bien cohérent avec les résultats obtenus à partir des images actuelles. Pour obtenir une analyse quantitative, un modèle d'émission thermoionique bien connu pour un contact métal-semi-conducteur est adopté [13, 49]. Dans ce modèle, les caractéristiques I-V d'un contact Schottky avec un semi-conducteur de type n en présence d'une résistance série peuvent être approximées comme [13] :

où n est le facteur idéal et R _S est la résistance série. Je _S est le courant de saturation, qui peut être exprimé par :

où A est l'aire de contact, \(A^{*}\) est la constante de Richardson, et φ _B est la hauteur de barrière Schottky (SBH) entre la pointe métallique et le nanofil de Si. Ainsi, SBH peut être obtenu avec la formule :

un Courbes I-V typiques de Si NWs avec 190 nm de diamètre et 800 nm de longueur sous différentes irradiations laser. b Valeurs SBH obtenues à partir de l'ajustement des courbes I-V dans a . Les valeurs SBH dépendantes du diamètre et de la longueur inférieures à 8 W/cm ² l'irradiation laser sont tracées dans c , d , respectivement

Les courbes I-V de la Fig. 4a peuvent être bien ajustées par l'équation. (2). Pour obtenir les valeurs SBH à partir du courant de saturation, la constante de Richardson effective \(A^{*}\) est supposée être approximativement égale à celle du silicium massif, c'est-à-dire 112 A cm ⁻² K ⁻² pour le silicium de type n. La zone de contact est supposée être 2 × 10 ^–11 cm ² en prenant le rayon de la pointe revêtue de Cr/Pt à 25 nm. Les valeurs SBH obtenues sont d'environ 474, 453, 437, 429 et 416 meV pour différentes intensités laser de 0, 2, 4, 6 et 8 W/cm ² , respectivement, comme représenté sur la Fig. 4b. Il démontre que SBH diminue de manière significative avec l'intensité du laser, qui peut être le principal contributeur à la conductance photoaméliorée. En attendant, la dépendance de SBH sur le diamètre et la longueur des nanofils à la même intensité laser est donnée dans les Fig. 4c, d, respectivement. Les résultats indiquent que les Si NWs avec des diamètres plus petits et des longueurs plus courtes ont des valeurs SBH plus petites, résultant en une meilleure photoconductance obtenue sur de tels nanofils. La dépendance du diamètre et de la longueur de SBH sous différentes irradiations laser est montrée dans le fichier supplémentaire 1 :Fig. S3, qui appuie en outre la conclusion ci-dessus. De toute évidence, toutes les valeurs SBH mesurées pour les Si NW avec des diamètres et des longueurs différents sont plus petites que celles du Si en vrac (~ 600 meV) [40] et diminuent davantage avec l'augmentation de l'intensité du laser, ce qui indique que les Si NW peuvent atteindre des propriétés photoconductrices prometteuses. pour des applications potentielles.

Par conséquent, à partir des résultats ci-dessus, on peut conclure que les propriétés photoconductrices des Si NW dépendent fortement de leurs diamètres et de leurs longueurs, c'est-à-dire que les Si NW avec des diamètres plus petits et des longueurs plus courtes présentent une meilleure photoconductance, qui devrait être attribuée au SBH dépendant de la taille comme révélé par l'ajustement de la courbe I-V. Le mécanisme exact de la dépendance de taille de SBH n'est pas encore clair. Elle peut être liée aux états d'interface et/ou à la structure désordonnée de la couche externe rugueuse. Selon les études précédentes [50,51,52], les états d'interface chargés pourraient réduire efficacement le SBH. Par exemple, dans la référence [50], Yoon et al. supposé que le transfert de porteur induit par l'état de l'interface formerait deux couches chargées opposées avec des états de surface chargés négativement et le même nombre de charges positives, ce qui pourrait générer un champ électrique contraire au champ électrique intégré, entraînant un abaissement efficace de SBH fortement dépendant du diamètre des nanofils. En utilisant la modélisation par éléments finis et en traitant le nanofil comme un condensateur coaxial cylindrique, ils ont découvert que l'amplitude de l'abaissement de la barrière augmenterait à mesure que le diamètre du nanofil diminuait. Dans notre cas, en raison de la surface rugueuse des nanofils fabriqués par MACE, lors du contact avec la pointe métallique, une grande densité d'états d'interface serait générée, ce qui peut également abaisser efficacement la hauteur de la barrière en adoptant le point de vue ci-dessus. La densité de l'état de surface augmente avec la diminution du diamètre du nanofil, un SBH plus petit peut être obtenu sur les nanofils de plus petit diamètre. Ainsi, les Si NW avec des diamètres plus petits présentent une plus grande conductance. Étant donné que SBH diminue avec l'intensité du laser pour tous les diamètres, les Si NW avec des diamètres plus petits présentent également une photoconductance plus importante.

La raison pour laquelle les valeurs de SBH dépendent de la longueur, cependant, n'a pas pu être interprétée avec ce point de vue. Les nanofils plus longs nécessitent plus de temps MACE pour être fabriqués, ce qui entraîne plus de désordre ou de rugosité de surface. Différents changements dans les microstructures de surface peuvent introduire différents changements de valeurs SBH, qui nécessitent des investigations supplémentaires pour le déterminer. Quoi qu'il en soit, quelle que soit l'origine de la dépendance de la taille des propriétés photoconductrices, l'abaissement du SBH dépendant de la taille pourrait entraîner une conductance ou une photoconductance plus élevée, ce qui devrait être bénéfique pour les applications pratiques.

Charges piégées photogénérées et modification de la hauteur de la barrière

Pour vérifier davantage les résultats SBH de Si NW obtenus par PCAFM, des images EFM ont été mesurées sur Si NW sous différentes irradiations laser, comme le montre la figure 5a–d. On peut voir que la force électrostatique induit un déphasage (ΔΦ ) augmente évidemment avec l'intensité du laser. L'image de déphasage acquise en mode de balayage linéaire sur la partie centrale supérieure du nanofil est présentée sur la figure 5e, et le déphasage moyen sur la ligne de balayage le long de la courbe marquée est dessiné sur la figure 5f. Les deux présentent clairement l'augmentation de ΔΦ avec intensité laser.

L'image topographique de Si NWs (a ), les images de déphasage obtenues à différentes intensités laser de 0 (b ), 4 (c ) et 10 W/cm ² (d ), respectivement. e L'image de déphasage acquise en mode balayage linéaire sur la partie centrale supérieure du nanofil. Le déphasage moyen sur la ligne de balayage le long de la courbe rouge marquée en e est tracé en f

Pour obtenir des informations plus précises à partir des mesures EFM, ΔΦ a été mesurée en fonction de la tension appliquée (V _EFM ) sous différentes irradiations laser sur un certain nanofil. Un ensemble de ΔΦ ~ V _EFM les courbes mesurées sur le nanofil de Si d'un diamètre de 190 nm et d'une longueur de 800 nm sont présentées sur la figure 6a sous forme de points dispersés. On peut voir qu'avec l'augmentation de l'intensité laser, le ΔΦ ~ V _EFM les courbes se déplacent vers le bas. Cela indique que davantage de porteurs sont générés et piégés dans les nanofils [45]. Pour une analyse quantitative, le système pointe-échantillon est simplement traité comme un condensateur plan, et le gradient de force électrostatique capacitive provoquerait un déphasage lors de l'application d'un biais entre la pointe et l'échantillon. Avec des charges piégées dans les nanostructures par irradiation laser, un déphasage supplémentaire induit par la force coulombienne serait généré [53]. Le déphasage détecté par EFM peut être décrit comme [54, 55] :

où C , V _EFM et V _DPC sont la capacité, la tension continue appliquée et la différence de potentiel de contact entre la pointe et l'échantillon, respectivement. Q _s est la quantité de charges piégées dans le nanofil, Q est le facteur de qualité et k est la constante de ressort de la sonde, et z est la distance entre les charges piégées dans le nanofil.

ΔΦ ~ V _EFM les courbes de la Fig. 6a peuvent être bien ajustées en utilisant l'équation. (5), représenté par les lignes continues. A partir des paramètres d'ajustement, V _DPC et Q _s peut être obtenu en utilisant Q = 186 et k = 2,8 N/m pour la pointe revêtue de Pt/Ir [56, 57] et approximant z comme la hauteur de levage, qui sont tracées sur la figure 6b en fonction de l'intensité du laser. On peut voir qu'avec l'augmentation de l'intensité laser, V _DPC diminue tandis que les charges piégées Q _s augmenter. Comme indiqué dans la littérature [46], le changement de V _DPC sous irradiation laser était liée à la variation de la densité de porteurs piégés. Ainsi la diminution de V _DPC avec l'irradiation laser dans nos expériences peut également être attribuée à l'augmentation de la densité de charge piégée.

un ∆Φ ~ V _EFM courbes mesurées par EFM sur des Si NW individuels d'un diamètre de 190 nm et d'une longueur de 800 nm sous différentes irradiations laser. b Les résultats des Qs et V _DPC obtenu en ajustant les courbes en a en fonction de l'intensité du laser. La dépendance du diamètre et de la longueur de V _DPC à une intensité laser de 8 W/cm ² is presented in c , d , respectivement

From the energy diagram given in Additional file 1:Fig. S4, the value of SBH roughly equals to qV _DPC 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 _DPC well represents that of SBH. The results of V _DPC 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 _DPC for Si NWs with different diameters and lengths decrease with the increased laser intensity. The dependence of V _DPC on nanowires’ diameter and length at the same laser intensity of 8 W/cm ² is shown in Fig. 6c, d, respectively. On peut voir que le V _DPC 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).

Conclusion

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.

Disponibilité des données et des matériaux

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

Abréviations

Si NWs:

Si nanowires

CAFM:

Conductive atomic force microscopy

PCAFM:

Photoconductive conductive atomic force microscopy

EFM:

Electrostatic force microscopy

PV :

Photovoltaic

NSL:

Nanosphere lithography

MACE :

Gravure chimique assistée par métal

SPM:

Scanning probe microscopy

PS :

Polystyrene spheres

RIE :

Gravure ionique réactive

SEM :

Microscopie électronique à balayage

EDX :

Spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie

SBH:

Schottky barrier height

DPC :

Contact potential difference