Este documento describe el crecimiento y caracterización eléctrica de nanohilos de óxido de zinc (ZnO) mediante un método carbotermal. Los nanohilos de ZnO se crecieron usando una mezcla de polvos de ZnO y grafito como precursores, que se sometieron a altas temperaturas. Se fabricaron contactos eléctricos en los nanohilos utilizando nanolitografía y soldadura en frío. Las mediciones eléctricas mostraron que los nanohilos exhiben fotoconductividad bajo ilumin

1. NANOCONTACTOS EN
NANOHILOS DE ZnO
PROPIEDADES DE TRANSPORTE
María Cecilia Zapata
1

2. ZnO/C
•Materiales y su preparación Prensado
•Método de crecimiento Carbotermal
Soldadura en frío
•Contactos eléctrico
Nanolitografía
Curvas IV
•Caracterización eléctrica Curvas RT
Fotoconductividad
iluminando con UV
Influencia del vacío en
la fotoconductividad
2

3. INTRODUCCIÓN
•El ZnO es un semiconductor transparente con un gap de ~3eV
• Los nanohilos de ZnO están siendo estudiados por sus potenciales
aplicaciones tanto en electrónica como en nanofotónica y en
dispositivos electromecánicos
E *optoelectrónica (láseres, sensores, leds y fotodiodos,
dispositivos de emisión de campo)
J
E
M *spintrónica
P
L
*sensores sólidos de gases
O
S
Zn
Gap
O
Wurtzite (hexagonal) Band structure 3

4. EXPERIMENTAL
Para el crecimineto de ZnO existen varios métodos en la
literatura, como PLD empleado en sustratos
preestrucutrados. Nosotros usamos un método simple y
efectivo denominado Carbotermal.
Pastillas de Carbon/ZnO son utilizadas como precursores
para el proceso Carbotermal, que consiste en la
descomposición témica del ZnO que tiene un alto punto de
fusión (~1,9175 C) en subóxidos del Zn (~419 C)
descriptos por la siguiente reacción
ZnO(s) + CO(s) Zn(v) + CO2(v)

5. EXPERIMENTAL
• Fuente: mezcla de polvos de ZnO y grafito en la razón de
• (1:1 ZnO/C)
• Prensa hidráulica (entre 2kN y(mg)
Muestra Masa
10kN) Fuerza (kN)
• Temperatura máxima del horno: 1150 C
1 ~100 2
• Velocidad de calentamiento del horno: 15ºC/min
2 ~100 3
~100 4
• Tiempo de reacción: 45 minutos a1 hora
3
4 ~250 10
• A presión atmosférica sin empleo de gases
Fig. 1. Prensa Fig. 2. Pastilla Fig. 3. Crisol de alúmina Fig. 4. Horno
5
hidráulica y pressform tubular 5

6. RESULTADOS EXPERIMENTALES
M
u
e
s
t
Fig. 5. Fotografía de nanohilos tomada r Fig. 6. Fotografía de un nanohilos tomada
por un microscopio óptico. Muestra 3 por un microscopio óptico. Muestra 3
a
3
Fig. 7. Nanohilos muestra 3. SEM Fig. 8. Nanohilos muestra 3. SEM 6

7. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Muestra 4
Fig. 14. Vista de la muestra 4
dentro del horno y luego cuando
se la ha retirado del mismo.
Fig. 15. Fotografías
de microscopio óptico
de la muestra 4
7

8. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA
•SUSTRATO
Si3N4 Φ=150nm
SiO2 Si
Φ=10-15nm
•LIMPIEZA
Acetona, etanol, nitrógeno comprimido
•NANOHILOS
Separación mecánica
•CONTACTOS
Soldadura en frío
Nanolitografía
8

9. CONTACTOS ELÉCTRICOS
Nanolitografía
(Nanohilos)
PMMA
PMMA
Sustrato Sustrato Sustrato
Deposición del polímero Tratamiento térmico del PMMA Irradiación con electrones
especial
PMMA
Sustrato Sustrato Sustrato
Revelado Deposición de Platino Deposición de Oro
Sustrato
Ataque químico para quitar
PMMA, platino y oro sobrantes
Fig. 9. Esquema de los pasos seguidos en la técnica de
nanolitografía.
9

10. CONTACTOS ELÉCTRICOS
Muestra 3
Fig. 11. Nanolitografía. Fotografía con
Fig. 10. Nanolitografía. Fotografía con microscopio óptico
microscopio óptico
Fig. 13. Contactos luego de la
Fig. 12. Scratching (raspado)
nanolitografia y del scratching.

11. CONTACTOS ELÉCTRICOS
Soldadura en frío
(Microhilos)
Muestra R-1
Fig. 16. Fotografía de microscopio óptico de las muestras Fig. 17. Fotografía de microscopio óptico de la
muestras contactadas con In montada en el chip-
contactadas con In sobre el sustrao de Si/Si3N4
carrier
Fig. 18. Fotografía de microscopio óptico de la Fig. 19. Fotografía de microscopio óptico de la
muestras R_1 muestras R_1
11

12. RESULTADOS Y DISCUSIÓN (R-1)
12
4 10 T=300K
T=300K 8 First
Second
6
2
4
Voltage U(V)
Voltage U(V)
2
0 0
-2
-4 In the Dark
-2
Under Ligth
-6
-8
-4
-10
-12
-6 -4 -2 0 2 4 6 -6 -4 -2 0 2 4 6
Current I( A) Current I( A)
Fig. 21. Curvas IV en oscuro. Se puede
Fig. 20. Curva IV con luz UV observar el cambi o en la pendiente después
de la iluminación como consecuencia de la
fotoconductividad 12

13. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
LninvRnorm
1
2,0
1E9 0
Equation y = a + b*x Tramo1
Adj. R-Square 0,99378
-1
)
1,5 Value Standard Error
LninvRnorm Intercept -0,7873 0,03011
9
1E8 LninvRnorm Slope -189,86396 2,02502
-2 Tramo 1
Resistance R(10
Equation y = a + b*x Tramo2
Ea=15,6 meV Adj. R-Square 0,99855
)
Value Standard Error
0
1,0 -3 LninvRnorm Intercept -3,01991 0,02347
/
LninvRnorm Slope -100,56926 0,75206
1E7
Ln(
100
-4
0,5 Tramo 2
-5
Ea=8,3 meV
-6
0,0
-7
0 50 100 150 200 250 300 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04
Temperature T(K)
1/T
Fig. 22. R-T cold down curva en oscuridad. Fig. 23. Ajuste R-T curva cold down en
Inset es una gráfica Log-Log mostrando el oscuridad. Obtención de energías de
comportamiento semiconductor típico. activación.
La desviación es consecuencia de la
fotoconductividad permanente
13

14. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Fig. 24. Cold Down (CD) and Heat Up (HU). R-T and
0,900
I=20mA
0,875
700 R-time dependance.
Cold Down 650
0,850
under UV 1 600
0,825 Heat Up 550
La curva CD se midió sin dejar que la muestra
0,800 under UV 1
500 alcance su valor de saturación debido a la
time(min)
0,775
0,750
R-time dependance HU
450
400
exposición a la radiación UV
R-time dependance CD
R(M )
0,725 350
0,700 300 Para la curva HU, se puede considerar que la muesta
0,675 250 ya alcanzó su valor de saturación.
0,650 200
150
0,625
0,600 100
En ambos casos se observa un comportamiento
0,575 50 metálico hasta los 175K.
0,550 0
80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320
T(K)

15. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Temperature Resistance
5,00 296,00
4,75 UV light on
295,75 Resistance Temperature
4,50 3,25 296,00
UV light on
4,25 Atmosphere pression 295,50
4,00 3,00 295,75
295,25
3,75 2,75 UV light off 295,50
3,50
295,00 Vacuum
3,25 2,50 295,25
T(K)
3,00 294,75
2,25 295,00
2,75
R(M )
294,50
T(K)
2,50 2,00 294,75
R(M )
2,25 294,25 1,75 294,50
2,00 UV light on
Vaccum 294,00 1,50 294,25
1,75
1,50 293,75 1,25 294,00
1,25
1,00 293,50 1,00 293,75
0,75
293,25 0,75 293,50
0,50
0,25 293,00 0,50 293,25
-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
0,25 293,00
time(min) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
time(min)
Fig. 25. R-t. Con luz UV, sin y con vacío. De Fig. 26. R-t. sin luz UV, en vacío. En esta
esta curva se obtienen los tiempos de curva se puede observar la recuperación de
relajación con y sin vacío. la resistencia al quitar la fuente de luz UV
Lihgt on
5,0 Atmosphere pression
UV light on
Vaccum
4,5
Data: timerelaj2_R
2,0
Model: ExpDec2
Data: timerelaj2vac_R
4,0 Chi^2/DoF = 646342016.02688 1,8 Model: ExpDec2
R^2 = 0.9899
Chi^2/DoF = 2079034127.16014
y0 1962850.76304 ±1715.71657 1,6 R^2 = 0.95912
3,5 A1 778078.1161 ±13683.45215
t1 17.14833 ±0.37872 y0 709506.69725 ±--
R(M )
A2 1867711.73715 ±24662.26891 A1 964440.40075 ±0
1,4
t2 1.14092 ±0.03027 t1 184.10085 ±1.29245
R(M )
3,0 A2 -35704.77491 ±--
t2 1.6396E97 ±--
1,2
2,5
1,0
2,0 0,8
0,6
1,5
-20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400
time(min) time(min)
Fig. 27. Ajuste R-time light on vaccum (Fig. 24). Fig. 28. Ajuste R-time UV light on atmosphere pressure
El ajuste corresponde a una función doble (Fig. 34). El ajuste corresponde a una función doble
exponencial exponencial. . Como puede observarse, el ajuste no es
bueno

16. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
UV light on
4,5 atmosphere pressure
4,0
Logarithm time dependance
3,5
Fig. 29. R-logtime UV light on atmosphere pressure (Fig.
26). Se observa que el tiempo de relajación tiende a
R(M )
3,0
2,5 infinito, o sea, nunca alcanza un valor constante de
2,0
resistencia
1,5
-1 0 1 2 3 4 5 6
Ln(time)
UV light on
Vaccum
2,0
1,8
Fig. 30. R-logtime UV light on vaccum (Fig. 26). En este
1,6
caso el tiempo de relajación también tiende a infinito y la
1,4
Logarithm time dependance resistencia nunca alcanza un valor constante
R(M )
1,2
1,0
0,8
0,6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Ln(time)
16

17. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
1 ZnO_S_3 Fig. 12. Escaneo en
0 Wavelength sweep diferentes longitudes de
onda (200-600 nm) con
Step: 0.5 nm
-1
Pause: 1 s
-2
monocromador a temperatura
ambiente con y sin campo
-3 H=0
-4 H = 0.8 T
magnético aplicado. Se
PR %
-5
-6 observa claramente la
-7 influencia en la
-8 fotoconductividad por el
-9
campo magnético aplicado.
-10
200 300 400 500 600
(nm)
17

18. CONCLUSIONES
•Se han obtenido nano y microhilos por el método Carbotermal.
•A través de separación mecánica algunos hilos han sido aislados y
contactados sobre la superficie de sustratos de Si/Si3N4.
•Empleando técnicas electrón bram-litography es posible contactar
apropiadamente nanohilos de alta resistividad para medir propiedades
de transporte.
•Se han medido curvas I-V, R-t y R-T iluminando la muestra con luz UV
y en la oscuridad. También se ha estudiado la influencia de la presión
atmosférica sobre las propiedades de transporte.
•La curva R-T bajo la influencia de la luz UV demuestra un
comportamiento metálico de la muestra por arriba de los 175K.
•Luego de las mediciones anteriormente mencionadas, se ha
bombardeado la muestra con protones con una fluencia de 0.2nC/μm2
•Luego de la irradiación de protones, la muestra no presenta cambios
cuando se la ilumina con luz UV o por el cambio de temperatura.
18

19. TRABAJO ACTUAL
•Microhilos contactados en Alemania
-Propiedades de transporte eléctrico a diferentes
longitudes de onda a presión atmosférica y en vacío
- Propiedades de transporte a diferentes longitudes de
onda y a diferentes temperaturas
-Propiedades de magnetotransporte a diferentes
longitudes de onda
•Fabricación de nuevos nanohilos en Tucumán
-Con diferentes presiones de oxígeno y argón
-Dopaje con Li
19