Αυτοργάνωση και εγχάραξη με πλάσμα για την κατασκευή νανονημάτων πυριτίου και εφαρμογές

Abstract

The main thesis objectives are (1) fabrication of vertical silicon nanowires (SiNWs) with the highest possible aspect ratio. SiNWs are fabricated by the plasma etching of nanolithographic or self-assembled patterns. (2) The study their optical properties, and (3) their application in photovoltaic devices.The thesis can be divided into three main sections. The first involves the process development for the fabrication of SiNWs using the cryogenic plasma etching of nanopatterns prepared by (a) optical lithography, (b) electron beam lithography, and (c) nanosphere lithography (colloidal particle self-assembly). Optimized processes lead to the fabrication of high aspect ratio SiNWs (up to ~40:1) which have the best specifications in the literature with respect to purity, lack of roughness and profile flexibility, while the process shows high etch rate and selectivity.In the second section, we develop the method of plasma directed assembly and organization for polymer surfaces. In particular, for lithography less pattern generation, we produce periodic nanodots on PMMA surfaces with controlled dimensions. This control is achieved by controlling the amount of sputtering from the reactor’s walls. Also, other plasma parameters are used to further control the size of nanodots. These PMMA nanodots are then used as an etching mask to transfer the pattern to Si substrate, to produce Si nanopillars and nanowires with a diameter less than 50 nm. This thesis is the first to prove that both the fabrication of self-assembled polymeric nanodots by plasma, and their pattern transfer to silicon to derive SiNWs can be fully controlled. The third section is dedicated to the properties and applications of the SiNWs. We focus on the optical properties of SiNW arrays and show the anti-reflective properties of the nanostructured surfaces. It is also experimentally demonstrated, for the first time in the literature, that the random dimensional variability and order defects of nanowires caused by the fabrication process, can reduce reflectance while enhancing light absorption.SiNW arrays have been used for the fabrication of NW-based solar cells. Particularly, we demonstrate the fabrication and characterization of both an axial p-n junction Si nanopillar photovoltaic device, as well as a radial p-n junction SiNWs photovoltaic device. This study is one of the first in the literature that makes use of Spin-On Dopant solutions for the fabrication of shallow radial p-n junctions. Issues such as electrical passivation of surfaces, encapsulation and insulation of nanowires and the construction of electrodes are discussed. Electrical characterization of the devices has shown promising results in the current-voltage characteristic curves under illumination. The application section is completed with the demonstration of SiNW arrays as matrices for the growth of ZnO nanorods and the fabrication of biomimetic three-dimensional hierarchical ZnO/Si nanostructures.

Η διατριβή εντάσσεται στον τομέα της νανοτεχνολογίας και νανοκατασκευαστικής. Βασικό αντικείμενό της είναι η ανάπτυξη, μελέτη και αριστοποίηση των κατάλληλων διεργασιών για την κατασκευή κάθετων νανονημάτων πυριτίου (SiNWs) μεγάλης αναλογίας ύψους προς διαμέτρου, έχοντας ως βασικό εργαλείο κατασκευής την εγχάραξη με πλάσμα, αφού προηγηθεί κάποιας μορφής νανολιθογραφία ή αυτοργάνωση. Στόχος είναι η μελέτη των ιδιοτήτων των νανονημάτων και η εκμετάλλευση αυτών σε εφαρμογές, με έμφαση στην κατασκευή φωτοβολταϊκών διατάξεων.H διατριβή κινείται σε τρεις κατευθύνσεις. H πρώτη περιλαμβάνει τις πειραματικές διεργασίες για την κατασκευή νανονημάτων Si, με χρήση της κρυογενικής εγχάραξης με πλάσμα. Για τη νανοσχηματοποίηση χρησιμοποιούνται (α) η οπτική λιθογραφία, (β) η λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης και (γ) η αυτοργάνωση κολλοειδών σωματιδίων. Παρουσιάζεται η κατασκευή νανονημάτων Si με λόγο ύψους προς διάμετρο έως ~40:1 με τις καλύτερες προδιαγραφές στην διεθνή βιβλιογραφία, αφού η διεργασία χαρακτηρίζεται από καθαρότητα, απουσία τραχύτητας, ευελιξία στο σχήμα, μεγάλο ρυθμό εγχάραξης και υψηλή επιλεκτικότητα. H δεύτερη κατεύθυνση, αφορά τη μέθοδο της κατευθυνόμενης από το πλάσμα αυτοργάνωσης για τη νανοδόμηση πολυμερικών επιφανειών και την κατασκευή περιοδικών νανοτελειών PMMA. Γίνεται έλεγχος του φαινομένου μέσω ελέγχου της ιοντοβολής παρεμποδιστών εγχάραξης από τα τοιχώματα του αντιδραστήρα πλάσματος. Επίσης, άλλες παράμετροι πλάσματος χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των διαστάσεων των νανοτελειών. Οι νανοτελείες αυτές χρησιμοποιούνται στη συνέχεια ως μάσκα εγχάραξης για μεταφορά σχήματος στο Si, όπου επιτυγχάνεται η κατασκευή νανονημάτων με διάμετρο <50 nm. Η διατριβή είναι η πρώτη που αποδεικνύει ότι είναι δυνατή η ελεγχόμενη κατασκευή με το πλάσμα αυτοργανωμένων νανοτελειών πολυμερούς και η μεταφορά του σχήματος για την ελεγχόμενη κατασκευή νανονημάτων Si.Η τρίτη κατεύθυνση αφορά τις ιδιότητες και εφαρμογές των νανονημάτων Si. Γίνεται πειραματική μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων συστοιχιών νανονημάτων, όπου αναδεικνύονται οι αντιανακλαστικές ιδιότητες νανοδομημένων επιφανειών. Επίσης, αποδεικνύεται για πρώτη φορά στην διεθνή βιβλιογραφία με πειραματικό τρόπο ότι η τυχαία διαστατική μεταβλητότητα των νανονημάτων και οι πλεγματικές ατέλειες, αποτέλεσμα της μεθόδου κατασκευής, μειώνουν την ανακλαστικότητα αυξάνοντας παράλληλα την απορρόφηση φωτός.Τα νανονήματα Si χρησιμοποιούνται για την κατασκευή φωτοβολταϊκών διατάξεων. Συγκεκριμένα γίνεται ανάπτυξη διεργασιών κατασκευής και χαρακτηρισμός φωτοβολταϊκών διατάξεων νανοκολόνων Si αξονικής p-n επαφής, καθώς και διατάξεων νανονημάτων Si ακτινικής p-n επαφής. Η μελέτη αυτή είναι από τις πρώτες που αφορούν ακτινικές ρηχές επαφές σε νανονήματα με χρήση Spin-On Dopants. Παράλληλα, μελετώνται θέματα όπως η ηλεκτρική παθητικοποίηση, η κάλυψη και μόνωση των νανονημάτων και η κατασκευή των ηλεκτροδίων. O ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των διατάξεων έδειξε υποσχόμενα και ανταγωνιστικά ως προς τη βιβλιογραφία αποτελέσματα όσον αφορά τη χαρακτηριστική Ι-V υπό συνθήκες φωτισμού. Τέλος, γίνεται χρήση των νανονημάτων Si ως μήτρες για ανάπτυξη νανοράβδων ZnO και την κατασκευή βιομιμητικών τρισδιάστατων ιεραρχικών δομών ZnO/Si.