nanomicroletters - 首爾國立大學：激光誘導集成製備單片金屬納米線網絡光電探測器－鑽石舞台

Jun 24 Fri 2022 13:00
nanomicroletters - 首爾國立大學：激光誘導集成製備單片金屬納米線網絡光電探測器

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根據實際需求對電氣特性進行調控，對於電子設備的製造至關重要。然而，目前針對相應複雜排列和多種氧化態的整合仍然存在着挑戰。本工作首次利用rSLIR單片網絡技術獲得無縫接口，其在低溫和環境條件下可以實現無掩模原位氧化態的控制。此外，具有三重氧化態的單根納米線表明了rSLIR有望替代光刻技術，並且可用於製造根據波長和強度產生不同光電流的可見光光電探測器。這項新技術有潛力在各種薄膜電子設備的製備中得到廣泛應用。

Multi-Bandgap Monolithic Metal NanowirePercolation Network Sensor Integrationby Reversible Selective Laser‑Induced Redox

Junhyuk Bang, Yeongju Jung, Hyungjun Kim, Dongkwan Kim, Maenghyo Cho, Seung Hwan Ko*

Nano-Micro Letters (2022)14: 49

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00786-1

本文亮點

1. 通過可逆選擇性激光誘導氧化還原(rSLIR) 的方式成功製備了三單相 Cu、Cu₂O和 CuO 單片納米線網絡。

2. 提出了以Cu納米線(CuNW)為電極和具有不同帶隙的Cu₂ONW/CuONW的單片金屬-半導體-金屬的多光譜光電探測器。

內容簡介

有源電子元件通常由半導體和金屬電極組成，通過多個真空沉積和光刻圖案化步驟進行連接。然而，半導體和金屬電極之間存在的異種材料界面會導致電接觸和機械故障等方面的問題。首爾國立大學Seung Hwan Ko教授課題組開發了一種以整體無縫方式製造有源電子元件的新方法，其中金屬和半導體都可以由相同的整體材料製備得到，而無需通過可逆選擇性激光誘導氧化還原(rSLIR)方法產生半導體-金屬界面。此外，rSLIR可以通過控制過渡金屬 (Cu) 的氧化態，從而製備具有兩種不同帶隙狀態的半導體(Cu₂O和CuO，其帶隙分別為2.1和1.2 eV)，這可能使多功能傳感器具有來自相同材料的多個帶隙。這種新方法可以實現單相Cu、Cu₂O和CuO的無縫集成，同時通過簡單的激光照射實現氧化態之間的可逆及選擇性轉換。此外，本文所製造的單片金屬-半導體-金屬多光譜光電探測器可以對多個波長信號進行相應檢測。rSLIR工藝獨特的單片特性可以為下一代電子製造提供新的思路以克服傳統光刻方法的限制。

圖文導讀

I 可逆選擇性激光誘導氧化還原

本文利用連續激光(532 nm波長)照射，通過CuNW網絡濕氧化法製備得到Cu₂ONW網絡(黃色)，而激光誘導的光熱可以根據環境選擇性地氧化或還原並形成CuONW(黑色)，另外當還原劑包圍Cu₂ONW網絡時，激光掃描會選擇性地還原為CuNW(紅色)。rSLIR通過無縫接口實現CuNW、Cu₂ONW和CuONW的按需圖形化製備。新的CuNW、Cu₂ONW和CuONW圖案化工藝與之前的工藝相比具有明顯的優勢，包括(1)單個氧化態之間的整體無縫界面，(2)無掩膜原位工藝，以及(3)低溫和環境條件工藝。

圖1. (a) 單片CuNW、Cu₂ONW和CuONW網絡的可逆選擇性激光誘導氧化還原(rSLIR)示意圖；(b) 光學顯微鏡圖像：描繪了i) Cu₂ONW，ii) Cu₂O的rSLIR流動，以及在25 mW功率和1 mm/s激光氧化後獲得的CuO圖案，iii) 激光還原後獲得的Cu、Cu₂O及CuO圖案(比例尺：500 μm)；(c) 複雜三色圖案的光學圖像：i) 相應格子圖案(比例尺：1cm)，ii) 格子圖案的放大圖像。黑色CuONW和紅色CuNW圖案分別為在125 mW和10 mm/s的掃描速度下進行10次填充掃描，以及在125 mW和10 mm/s的掃描速度下進行一次填充掃描(比例尺：1mm)。

II 單片CuNW、Cu₂ONW和CuONW網絡的rSLIR

激光掃描過程通過圖案填充的方式掃描填充所需的區域，因此圖案寬度是實用且重要的參數，而激光功率決定了產生的熱量並影響相變寬度。本文工作通過改變激光功率製備了相應的CuNW、Cu₂ONW和CuONW網絡。

圖2. (a) 激光還原的CuNW圖案寬度隨激光功率變大；(b) 激光氧化的 CuONW 圖案寬度根據激光功率而變大；(c) Cu₂ONW和 CuONW的光學圖像，以及以1 mm間隔(比例尺：500 cm)由121個點數據研究的定量拉曼映射圖像；(d) 在125 MW和10 mm/s的掃描速度下，不同掃描周期下激光氧化的三維拉曼光譜；(e) 用於Cu₂O到CuO轉變理論研究的DFT模型。六個插圖示意圖描繪了氧化過程中氧原子和銅原子的移動；(f) 整體CuNW、Cu₂ONW和CuONW網絡，左側紅色區域Cu、中部區域Cu₂O和右側區域CuO的SEM圖像，插圖示意圖描述了製作單片結構(比例尺：1 μm)的過程；(g) CuNW的SEM圖像；(h) Cu₂ONW的SEM圖像；(i) CuONW的SEM圖像(比例尺：500nm)。

III rSLIR控制可逆氧化狀態

本文rSLIR技術由濕法氧化、激光氧化和激光還原三過程組成，在連接每個過程的活性物質和生成的物質時顯示出相應圖形。由於其獨特的特性，rSLIR確保了在製造特定圖案的過程序列上的高自由度。Cu、Cu₂O和CuO單相和多相共存的任何狀態都可以轉變為所需的氧化狀態，而rSLIR技術還可以提供定製的重寫功能。rSLIR利用單個氧化態的循環性解決了銅基納米線電子器件製備過程中的問題。此外，該方法允許通過銅氧化態的交叉來控制電性能以恢復其導電性，並通過氧化態轉變實現特定的功能化。

圖3. (a) rSLIR循環的過程圖；箭頭連接反應物質和產生的物質；(b) CuₓONW網絡上rSLIR的光學圖像：i) 製備了在200℃下氧化30分鐘的CuₓONW網絡，ii) 第一次激光還原CuNW，iii) 濕氧化Cu₂ONW，iv激光氧化銅，v第二次激光還原CuNW(激光氧化，激光還原條件：125 mW，10 mm/s，標尺：5 mm)；(c) 在準備好的圖案上顯示rSLIR的光學圖像：i) 黃色Cu₂ONW，帶有黑色CuONW樹圖案，插入的光學圖像是放大的黑色CuONW葉，ii) 通過激光還原，葉子變成紅色，iii) 通過濕式氧化去除圖案，iv) 通過激光氧化(激光氧化，激光還原條件：125 mW，10 mm/s，標尺：5 mm)將新圖案添加到現有圖案上。

IV 多光譜光電探測器集成

可見光光電探測器是一種基本的光電器件，其簡單的金屬-金屬氧化物-金屬(MSM)結構可以取代堆疊層光電探測器。由於用於產生光電流的光波長的閾值是根據金屬氧化物的帶隙來確定的，因此可以通過使用具有不同帶隙的多帶隙Cu₂ONW和CuONW檢測通道來製造具有不同波長閾值的可見光光電探測器。本工作通過rSLIR製備了三種類型的光電探測器，它們的響應隨波長和強度的變化而相應變化。

圖4. (a)多光譜光電探測器的單片集成，不同的波長閾值由Cu₂O和CuO之間的帶隙差異引起；(b) PUA納米線複合柔性光電探測器：紅色CuNW作為電極區域，兩個電極之間有一個檢測通道；(c) 光電流和時間常數根據10 mW/cm²光的開啟或關閉，插圖呈現雙指數弛豫的快弛豫常數和慢弛豫常數：i) Cu–Cu₂O–Cu光電探測器，ii) Cu–CuO–Cu光電探測器，iii) Cu–Cu₂O&CuO–Cu光電探測器；(d) 紅色(650 nm波長)、綠色(532 nm波長)和藍光(450 nm波長)的光電流強度為5、10和15 mW/cm²的對數標度圖；(e) 紅光(650 nm波長)、綠光(532 nm波長)和藍光(450 nm波長)在5、10和15 mW/cm²強度下的上升和衰減常數。

作者簡介

Seung Hwan Ko

本文通訊作者

韓國首爾國立大學教授

▍主要研究領域

可拉伸/柔性電子、透明電子、軟機器人、可穿戴電子、激光輔助納米/微加工和裂紋輔助納米製造。

▍個人簡介

Seung Hwan Ko，韓國首爾國立大學機械工程系應用納米和熱科學(ANTS)實驗室教授。2006年獲加利福尼亞大學伯克利分校機械工程博士學位。2009年之前，在加州大學伯克利分校從事博士後研究。自2009年起一直擔任韓國高級科學技術研究所(KAIST)的教員，之後加入首爾國立大學。

▍Email:maxko@snu.ac.kr

撰稿：《納微快報(英文)》編輯部

編輯：《納微快報(英文)》編輯部

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Nano-Micro Letters《納微快報(英文)》是上海交通大學主辦、Springer Nature合作開放獲取(open-access)出版的學術期刊，主要報道納米/微米尺度相關的高水平文章(research article, review, communication, perspective, etc)，包括微納米材料與結構的合成表徵與性能及其在能源、催化、環境、傳感、電磁波吸收與屏蔽、生物醫學等領域的應用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等數據庫收錄，2020JCR影響因子達16.419，學科排名Q1區前10%，中科院期刊分區1區TOP期刊。多次榮獲「中國最具國際影響力學術期刊」、「中國高校傑出科技期刊」、「上海市精品科技期刊」等榮譽，2021年榮獲「中國出版政府獎期刊獎提名獎」。歡迎關注和投稿。

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