[论文解读] Micro-Raman and field emission studies of silicon nanowires prepared by metal assisted chemical etching

Vivek Kumar, Shailendra K. Saxena+4 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2014

Nanowire Synthesis and Applications被引用 24

一句话总结

本研究通过金属辅助化学蚀刻（MACE）法合成硅纳米线（SiNWs），表明量子限域效应可降低电子场致发射的开启场强。更小直径的SiNWs由于场增强因子提高而表现出增强的场致发射性能，其中1.8 nm SiNWs的开启场强为7.8 V/μm，表明MACE是一种低成本制备高性能场发射器件的有效方法。

ABSTRACT

Micro-Raman scattering and electron field emission characteristics of silicon nanowires (SiNWs) synthesized by metal assisted chemical etching (MACE) are investigated. Scanning electron microscopy images reveal the growth of well aligned vertical SiNWs. Raman shift and size relation from bond-polarizability model has been used to calculate exact confinement sizes in SiNWs. The Si optical phonon peak for SiNWs showed a downshift and an asymmetric broadening with decreasing diameter of the SiNWs due to quantum confinement of optical phonons. The field emission characteristics of these SiNWs are studied based by carrying out current-voltage measurements followed by a theoretical analysis using Fowler-Nordheim equation. The electron field emission increased with decreasing diameter of SiNWs. Field emission from these SiNWs exhibits significant enhancement in turn-on field and total emission current with decreasing nanowire size. The reported results in the current study indicate that MACE is a simple technique to prepare well-aligned SiNWs with potentials for applications in field emission devices.

研究动机与目标

• 研究量子限域效应对硅纳米线（SiNWs）场致发射特性的影响。
• 评估通过金属辅助化学蚀刻（MACE）法制备的垂直排列SiNWs的场致发射性能。
• 利用键极化率模型，关联SiNW直径与拉曼光谱位移及场致发射特性。
• 确定MACE是否为制备高性能SiNW场发射器的可行且低成本的方法。
• 分析SiNW中弗勒利-诺德海姆（Fowler-Nordheim）行为的偏离现象，并评估由于量子限域效应和半导体特性而对标准模型进行修正的必要性。

提出的方法

• 在n-Si（100）晶圆上于接近室温条件下通过金属辅助化学蚀刻（MACE）法合成SiNWs。
• 采用微区拉曼光谱分析声子限域效应，利用键极化率模型（BPM）根据拉曼峰位移估算SiNW直径。
• 在250 μm间隙距离下进行电流-电压（I-V）测量，以表征场致发射行为。
• 应用弗勒利-诺德海姆（F-N）方程，通过ln(J/E²)与1/E的F-N图提取场增强因子（β）和功函数（φ = 4.15 eV）。
• 利用扫描电子显微镜（SEM）确认SiNW阵列的垂直排列和形貌特征。
• 基于F-N图的斜率计算场增强因子（β），假设功函数恒定为4.15 eV。

实验结果

研究问题

• RQ1 MACE法合成的SiNWs直径如何影响其场致发射开启场强和电流密度？
• RQ2 量子限域效应（通过拉曼光谱位移和展宽体现）在多大程度上与SiNW尺寸及场致发射性能相关？
• RQ3 为何SiNW的F-N图呈现非线性？针对半导体纳米结构，标准F-N模型需作何修正？
• RQ4 MACE能否被视为一种可行的、低成本替代方法，用于制备具有增强场致发射性能的垂直排列SiNWs，以替代高温或真空工艺？
• RQ5 在MACE生长的阵列中，场增强因子（β）如何随SiNW直径减小而变化？

主要发现

• 通过横截面SEM成像确认，MACE法合成的SiNWs在整个晶圆上均呈现垂直排列。
• 微区拉曼光谱显示，由于量子限域效应，硅的光学声子峰发生红移并呈现非对称展宽，利用键极化率模型根据峰位移估算出SiNW直径。
• 随着SiNW直径减小，开启场强降低：2.2 nm SiNWs（S2）为8.9 V/μm，1.8 nm SiNWs（S3）为7.8 V/μm，而3.7 nm SiNWs（S1）未测得可测量的开启场强。
• 场增强因子（β）随直径减小显著提高：S1（3.7 nm）为1140，S2（2.2 nm）为2508，S3（1.8 nm）为4223，表明更小尖端处场强局域化更显著。
• 观察到F-N图呈现非线性，表明标准弗勒利-诺德海姆理论在半导体量子限域纳米结构中存在局限性，需对模型进行修正。
• 本研究证实，MACE是一种简单、低成本且可扩展的方法，可用于制备具有优异场致发射性能的垂直排列SiNW阵列，尤其在小直径下表现更优。