Πειραματική και θεωρητική μελέτη τρανζίστορ, βασισμένων σε νανονήματα ημιαγωγών, υπό μαγνητικά επαγόμενη μηχανική παραμόρφωση

Abstract

The aim of this doctoral thesis is the fabrication and characterization of novel magnetic strain-gated transistors (M-SGTs) based on suspended Zinc Oxide (ZnO) nanowires. In the past few years, there has been increased research interest regarding the development of sensors that are able to detect low-intensity magnetic fields, at the low frequency regime. Specifically, sensors based on composite magnetoelectric materials exhibit significant advantages such as high sensitivity and wide frequency range from DC to hundreds of kHz at room temperature. Such composite sensors utilize a magnetostrictive and a piezoelectric material and despite the fact that research activities are pushing towards the miniaturization of these devices, nanoscale application are still relatively unexplored. At first, ZnO nanowires were synthesized by the hydrothermal method using sol-gel seeding layers and sputter deposited seed layers. The seed layers were characterized in respect to their surface morphology and crystallography. The growth of ZnO nanowires was performed by the hydrothermal synthesis method. The impact of growth time and concentration of the growth solution on the morphology of the ZnO nanowires was studied. Crystallographic and structural characterization of the resulted nanowires was also performed. An improved methodology was also developed regarding the fabrication of template-assisted single ZnO nanowire arrays utilizing a resist template patterned by electron beam (e-beam) lithography. At the same time, the development of magnetostrictive FeCoSiB thin-films was performed via DC sputtering. Magnetostatic characterization of the resulted thin-films in respect to the film composition was performed in order to determine an optimized FeCoSiB composition. Structural, crystallographic and magnetostatic characterization of the optimized thin films was performed at different annealing temperatures. Characterization of magnetostriction showed substantial magnetostriction coefficients. Utilizing e-beam lithography, metal electrodes were fabricated on top of silicon substrates. The as-synthesized ZnO nanowires were assembled between the metal contacts via AC dielectrophoresis, resulting in single and multiple nanowire devices that showed interesting electrical characteristics. By utilizing the experimental results from the aforementioned studies, the fabrication of magnetic, strain-gated transistors, (M-SGTs) was performed, for the first time based on ZnO nanowires as well as the previously developed magnetostrictive FeCoSiB thin-films. The experimental results verify the ability to control and tune the current transport though a single ZnO nanowire using an external magnetic field, aiding in the pursuit of realizing magnetoelectric devices at the nanoscale.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η κατασκευή και ο χαρακτηρισμός καινοτόμων διατάξεων τρανζίστορ μαγνητικά-επαγόμενης μηχανικής παραμόρφωσης (magnetic strain-gated transistors, M-SGTs) που θα βασίζονται σε αιωρούμενα νανονήματα Οξειδίου του Ψευδαργύρου (ZnO). Τα τελευταία χρόνια, η ερευνητική δραστηριότητα γύρω από διατάξεις αισθητήρων ικανών να ανιχνεύουν μαγνητικά πεδία μικρής έντασης σε χαμηλές συχνότητες έχει αυξηθεί σημαντικά. Συγκεκριμένα, αισθητήρες που βασίζονται σε σύνθετα μαγνητοηλεκτρικά υλικά έχουν δείξει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως μεγάλη ευαισθησία, λειτουργία σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων από DC μέχρι εκατοντάδες kHz και λειτουργία σε θερμοκρασία δωματίου. Οι αισθητήρες αποτελούνται από ένα μαγνητοσυστολικό και ένα πιεζοηλεκτρικό υλικό με τις ερευνητικές προσπάθειες για τη σμίκρυνση τέτοιων δομών στη νανοκλίμακα να αποτελεί μια ανοιχτή πρόκληση. Αρχικά πραγματοποιήθηκε η σύνθεση νανονημάτων ZnO μέσω της υδροθερμικής μεθόδου, χρησιμοποιώντας στρώματα πυρήνωσης γέλης και ιοντοβολής. Αυτά χαρακτηρίστηκαν ως προς τη μορφολογία της επιφάνειάς τους και κρυσταλλογραφικά. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε η σύνθεση των νανονημάτων ZnO όπου μελετήθηκε η εξάρτηση του χρόνου ανάπτυξης καθώς και η επίδραση της συγκέντρωσης των πρόδρομων ουσιών στα δομικά χαρακτηριστικά των νανονημάτων. Ακολούθησε ο κρυσταλλογραφικός και δομικός χαρακτηρισμός των νανονημάτων. Ακόμα αναπτύχθηκε μια βελτιωμένη μεθοδολογία ανάπτυξης μεμονωμένων νανονημάτων κάθετα στο επίπεδο χρησιμοποιώντας την παραπάνω μεθοδολογία σύνθεσης σε συνδυασμό με χωρικά-ελεγχόμενα μοτίβα τα οποία κατασκευάστηκαν με χρήση λιθογραφίας ηλεκτρονικής δέσμης. Παράλληλα, αναπτύχθηκαν μαγνητοσυστολικά υμένια FeCoSiB με χρήση ιοντοβολής συνεχούς ρεύματος. Τα υμένια αυτά χαρακτηρίστηκαν ως προς τις μαγνητοστατικές τους ιδιότητες τους σε συνάρτηση της στοιχειομετρίας ώστε να επιλεχθεί η βέλτιστη. Η βέλτιστη στοιχειομετρία χαρακτηρίστηκε δομικά και κρυσταλλογραφικά και μαγνητοστατικά σε διάφορες θερμοκρασίες ανόπτησης. Ο μαγνητοσυστολικός χαρακτηρισμός των υμενίων έδειξε ότι τα υμένια διαθέτουν σημαντικούς συντελεστές μαγνητοσυστολής. Χρησιμοποιώντας λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης κατασκευάστηκαν διατάξεις μεταλλικών ηλεκτροδίων σε υποστρώματα πυριτίου. Τα νανονήματα ZnO που αναπτύχθηκαν συναρμολογήθηκαν ανάμεσα στις μεταλλικές επαφές με τη μέθοδο της διηλεκτροφόρησης και προέκυψαν διατάξεις μεμονωμένων και πολλαπλών νανονημάτων ZnO με ενδιαφέρουσες ηλεκτρικές ιδιότητες. Αξιοποιώντας όλα τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την παραπάνω μελέτη πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά η υλοποίηση διατάξεων τρανζίστορ μαγνητικά-επαγόμενης μηχανικής παραμόρφωσης (M-SGTs) βασισμένων τα νανονήματα ZnO και τα μαγνητοσυστολικά υμένια FeCoSiB που αναπτύχθηκαν παραπάνω. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν δείχνουν τη δυνατότητα ελέγχου του ρεύματος που διαρρέει ένα νανονήμα ZnO μέσω εξωτερικού μαγνητικού πεδίου κάτι που ανοίγει το δρόμο για την ανάπτυξη μαγνητοηλεκτρικών διατάξεων στην νανοκλίμακα.