Вплив поверхневої морфології масиву кремнієвих нанониток на їх вологочутливі характеристики

Автор(и)

  • Ярослав Олексійович Ліневич Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського", Київ, Україна https://orcid.org/0000-0002-8399-034X
  • Вікторія Михайлівна Коваль Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, Україна https://orcid.org/0000-0002-3898-9163
  • Михайло Григорович Душейко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, Україна https://orcid.org/0000-0003-3476-4220
  • Марина Олексіївна Лакида Національний університет біоресурсів і природокористування України, Київ, Україна https://orcid.org/0000-0001-9973-9849

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347023110018

Ключові слова:

поверхнева шорсткість, вологочутливість, сенсор вологості, кремнієва нанонитка, атомно-силова мікроскопія, метало–стимульоване хімічне травлення

Анотація

В статті досліджено вплив поверхневої морфології масиву кремнієвих нанониток (КНН) на їх вологочутливі характеристики. В роботі синтезовано сенсори вологості діодного типу на основі кремнієвих нанониток. КНН синтезовані методом метало-стимульованого хімічного травлення, а p–n-перехід сформовано в масиві КНН методом дифузії. Дослідження поверхневої морфології здійснювалось методом атомно-силової мікроскопії. Проведено вимірювання електричних та вологочутливих характеристик сенсорів вологості. Встановлено вплив середньоквадратичного значення (СКЗ) шорсткості поверхні та об’ємної поруватості матеріалу на робочі характеристики приладів. Зокрема показано, що зростання величини шорсткості поверхні масиву кремнієвих нанониток призводить до помітного зростання величини відгуку (до 72,5 разів), а також зменшення часу відгуку та часу відновлення сенсорів вологості до 20 та 36 с відповідно. Натомість зменшення СКЗ шорсткості призводить до покращення реверсивності (до 11,3%), короткочасової стабільності (до 1,61%), та повторюваності сигналу сенсора (до 0,45%). Продемонстровано важливість врахування взаємозв’язку поверхневої морфології масиву нанониток з їх вологочутливими характеристиками для розробки високоефективних сенсорів на їх основі.

Посилання

N. Mohseni Kiasari, S. Soltanian, B. Gholamkhass, P. Servati, “Room temperature ultra-sensitive resistive humidity sensor based on single zinc oxide nanowire,” Sensors Actuators A Phys., vol. 182, pp. 101–105, 2012, doi: https://doi.org/10.1016/j.sna.2012.05.041.

V. R. Karrevula, A. K. Prasad, V. Mishra, S. Tripurasundari, “Effect of pre-adsorbed moisture and humidity on I–V characteristics of Si PIN diode,” Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A Accel. Spectrometers, Detect. Assoc. Equip., vol. 1047, p. 167832, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.nima.2022.167832.

В. А. Лапшуда, Я. О. Ліневич, М. Г. Душейко, В. М. Коваль, В. А. Барбаш, “Ємнісні сенсори вологи на основі плівок наноцелюлози для біорозкладної електроніки,” Мікросистеми, Електроніка та Акустика, vol. 27, no. 1, pp. 255990-1-255990–8, 2022, doi: https://doi.org/10.20535/2523-4455.mea.255990.

H. M. J. Al-Ta’ii, Y. M. Amin, V. Periasamy, “Humidity influenced capacitance and resistance of an Al/DNA/Al Schottky diode irradiated by alpha particles,” Sci. Reports, vol. 6, no. 1, p. 25519, 2016, doi: https://doi.org/10.1038/srep25519.

A. K. Kalkan, H. Li, C. J. O’Brien, S. J. Fonash, “A rapid-response, high-sensitivity nanophase humidity sensor for respiratory monitoring,” IEEE Electron Device Lett., vol. 25, no. 8, pp. 526–528, 2004, doi: https://doi.org/10.1109/LED.2004.832657.

H.-J. Chen, Q.-Z. Xue, M. Ma, X.-Y. Zhou, “Capacitive humidity sensor based on amorphous carbon film/n-Si heterojunctions,” Sensors Actuators B Chem., vol. 150, no. 1, pp. 487–489, 2010, doi: https://doi.org/10.1016/j.snb.2010.07.038.

J. Qin et al., “Carbon nanodot-based humidity sensor for self-powered respiratory monitoring,” Nano Energy, vol. 101, p. 107549, 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107549.

Z. Li et al., “Highly sensitive and stable humidity nanosensors based on LiCl doped TiO2 electrospun nanofibers,” J. Am. Chem. Soc., vol. 130, no. 15, pp. 5036–5037, 2008, doi: https://doi.org/10.1021/ja800176s.

V. Lapshuda, V. Koval, V. Barbash, M. Dusheiko, O. Yashchenko, S. Malyuta, “Flexible humidity sensors based on nanocellulose,” in 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2022, pp. 208–212, doi: https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927092.

Я. О. Ліневич, В. М. Коваль, “Сенсори на основі нанорозмірних кремнієвих 1D структур для промислового, екологічного та медичного моніторингу,” Мікросистеми, Електроніка та Акустика, vol. 27, no. 2, pp. 264376-1-264376–28, 2022, doi: https://doi.org/10.20535/2523-4455.mea.264376.

M. Zeraati, T.-C. Chen, M. Ebri, N. P. S. Chauhan, G. Sargazi, “Length prediction of silicon nanowires (SiNWs) prepared by the MACE method using the ANN-COA-PSO algorithm for high supercapacitor applications,” J. Phys. Chem. Solids, vol. 156, p. 110146, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2021.110146.

Y. Xi et al., “A facile synthesis of silicon nanowires/micropillars structure using lithography and metal-assisted chemical etching method,” J. Solid State Chem., vol. 258, pp. 181–190, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.jssc.2017.07.034.

N. Ahmed, P. B. Bhargav, A. Rayerfrancis, B. Chandra, P. Ramasamy, “Study the effect of plasma power density and gold catalyst thickness on silicon nanowires growth by plasma enhanced chemical vapour deposition,” Mater. Lett., vol. 219, pp. 127–130, 2018, doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.02.086.

B. R. Deepu, S. M. Anil, P. Savitha, Y. B. Basavaraju, “Advanced VLS growth of gold encrusted silicon nanowires mediated by porous aluminium oxide template,” Vacuum, vol. 185, p. 109991, 2021, doi: https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2020.109991.

M. K. Sahoo, S. P. Muduli, P. Kale, “Tailoring electrical characteristics of Si-nanowires and etched Si by MACE temperature variation,” J. Mater. Sci. Mater. Electron., vol. 34, no. 16, p. 1275, 2023, doi: https://doi.org/10.1007/s10854-023-10709-y.

A. A. Leonardi, M. J. Lo Faro, A. Irrera, “Silicon nanowires synthesis by metal-assisted chemical etching: A review,” Nanomaterials, vol. 11, no. 2, p. 383, 2021, doi: https://doi.org/10.3390/nano11020383.

M. K. Sahoo, P. G. Kale, “Micro-Raman study of growth parameter restraint for silicon nanowire synthesis using MACE,” Superlattices Microstruct., vol. 135, p. 106289, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.spmi.2019.106289.

C. Chiappini, X. Liu, J. R. Fakhoury, M. Ferrari, “Biodegradable porous silicon barcode nanowires with defined geometry,” Adv. Funct. Mater., vol. 20, no. 14, pp. 2231–2239, 2010, doi: https://doi.org/10.1002/adfm.201000360.

Z. Huang, T. Shimizu, S. Senz, Z. Zhang, N. Geyer, U. Gösele, “Oxidation rate effect on the direction of metal-assisted chemical and electrochemical etching of silicon,” J. Phys. Chem. C, vol. 114, no. 24, pp. 10683–10690, 2010, doi: https://doi.org/10.1021/jp911121q.

G. Zhang et al., “Nanowire-based sensor electronics for chemical and biological applications,” Analyst, vol. 146, no. 22, pp. 6684–6725, 2021, doi: https://doi.org/10.1039/D1AN01096D.

H. Taghinejad, M. Taghinejad, M. Abdolahad, A. Saeidi, S. Mohajerzadeh, “Fabrication and modeling of high sensitivity humidity sensors based on doped silicon nanowires,” Sensors Actuators B Chem., vol. 176, pp. 413–419, 2013, doi: https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.09.062.

Y. Linevych, V. Koval, M. Dusheiko, Y. Yakymenko, M. Lakyda, V. Barbash, “Silicon diode structures based on nanowires for temperature sensing application,” in 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO), 2022, pp. 190–195, doi: https://doi.org/10.1109/ELNANO54667.2022.9927122.

В. М. Коваль et al., “Использование пленки наноструктурированного серебра в многослойной контактной системе Tі/Mo/Ag кремниевых ФЭП,” Известия вузов. Радиоэлектроника, vol. 59, no. 2, p. 4, 2016, doi: https://doi.org/10.20535/S0021347016020011.

Y. Linevych, V. Koval, M. Dusheіko, M. Lakyda, “Humidity diode sensors based on 1D nanosized silicon structures,” Sci. Innov., vol. 20, no. 3, pp. 67–81, 2024, doi: https://doi.org/10.15407/scine20.03.067.

Z. Chen, C. Lu, “Humidity sensors: A review of materials and mechanisms,” Sens. Lett., vol. 3, no. 4, pp. 274–295, 2005, doi: https://doi.org/10.1166/sl.2005.045.

J. P. Lukaszewicz, “An application of carbon-type semiconductors for the construction of a humidity-sensitive diode,” Sensors Actuators B Chem., vol. 6, no. 1–3, pp. 61–65, 1992, doi: https://doi.org/10.1016/0925-4005(92)80031-R.

3D АСМ-зображення масиву КНН, синтезованого методом MACE, за площі сканування 10x10 мкм

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-08-28 — Оновлено 2023-08-28

Як цитувати

Ліневич, Я. О., Коваль, В. М., Душейко, М. Г., & Лакида, М. О. (2023). Вплив поверхневої морфології масиву кремнієвих нанониток на їх вологочутливі характеристики. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 66(8), 478–489. https://doi.org/10.20535/S0021347023110018

Номер

Том 66 № 8 (2023)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2023 Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.