本文介绍了一种利用电解质调控固体中载流子数量的实验方案。
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本文内容
摘要
摘要
通过电解质门控实现载流子浓度调控的方法被展示。我们利用透明胶带法获得了表面原子级平整的WS2薄片，或通过分散WS2纳米管悬浮液获得单根WS2纳米管。选定的样品通过电子束光刻技术加工成器件，并在器件上施加电解质。我们对施加栅极电压下的器件电子特性进行了表征。在低栅极电压区域，电解质中的离子在样品表面聚集，导致较大的电势降，从而在界面处实现静电载流子掺杂。在此静电掺杂区域观察到双极型转移曲线。当进一步增加栅极电压时，源漏电流出现另一次显著上升，表明离子已插入WS2层间，实现了电化学载流子掺杂。在该电化学掺杂区域中，观察到了超导现象。该聚焦技术为实现电场诱导的量子相变提供了一种强有力的策略。
引言
调控载流子数量是实现固体中量子相变的关键技术1。在传统的场效应晶体管（FET）中，这一目标通过使用固体栅极实现1,2。在这种器件中，介电材料内部的电势梯度是均匀的，因此在界面处诱导出的载流子数量受到限制，如图1a所示。
另一方面，我们可以通过用离子凝胶/液体或聚合物电解质替代固体介电材料，在界面或体相中实现更高的载流子密度。3,4,5,6,7,8,9,10,11 (图1b）。在利用离子液体进行静电掺....
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方案
1. 在基底上分散二硫化钨（WS2）纳米管（NTs）
- 将WS2 NT粉末通过超声处理20分钟分散到异丙醇（IPA，浓度高于99.8%）中，稀释比例适当（约0.1 mg/mL）。
注意：长时间超声有助于使WS2 NT均匀悬浮于IPA液体中，并将结构完整的单根WS2 NT从非晶态WS2或其他杂质中分离出来，同时去除附着在WS2 NT表面的污染物。图2b展示了最终的WS2 NT悬浮液。由于超声过程中悬浮液可能升温，建议每超声5分钟暂停一次，静置1分钟后再继续超声。 - 采用旋涂法将WS2 NT分散至基底上。
- 启动旋涂仪及真空泵，将一块Si/SiO2（3000 Å）基底（1 cm × 1 cm）置于卡盘中心，并通过真空固定，抽气速率为80 L/min，极限压力为20 kPa。
注意：卡盘中心有一个孔连接真空泵，因此基底依靠真空压力固定（抽气速率为80 L/min，极限压力为20 kPa）。真空压力可能因所用泵的不同而有所差异。 - 通过旋涂仪控制面板设置相应工艺参数。
注意：旋涂过程分为三个步骤：（1）在最初3秒内缓慢加速至500 rpm；（2）迅速加速至40....
- 启动旋涂仪及真空泵，将一块Si/SiO2（3000 Å）基底（1 cm × 1 cm）置于卡盘中心，并通过真空固定，抽气速率为80 L/min，极限压力为20 kPa。
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结果
单个WS2纳米管（NT）和WS2薄片器件的典型晶体管工作特性分别如图3a和3b所示，其中源漏电流（IDS）随栅极电压（VG）的变化表现出良好的双极型工作模式，与此前文献中报道的传统固态栅场效应晶体管的单极栅极响应形成显著对比58。考虑到该双极型行为具有可逆性和可重复性，这些晶体管行为很可能源于静电掺杂效应。在静电掺杂过程中，离子在样品表面聚集，导致较大的电势降，并在界面处引起相应的载流子掺杂（图1b）。
另一方面，通过插层实现的电化学掺杂（图1c）发生在较大的栅极电压区域，.......
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讨论
在两种WS中2 通过静电或电化学载流子掺杂，我们已成功调控了纳米管和纳米片的电学性质。
在静电掺杂区域中，已观察到双极型晶体管行为。在低偏置电压下观察到具有高开关比（>102）的此类双极型转移曲线，表明电解质栅控技术在调节这些体系的费米能级时，在界面处实现了有效的载流子掺杂。
尽管与传统的固态栅极方法相比，该方法在较小栅极偏压下调节大量载流子数目方面具有优势，但该技术仍存在若干局限性。首先，由于载流子数目的调控是通过液态栅极实现的，因此无法在电解质/离子液体的凝固温度以下调节载流子数目12,28,29,30。相比之下，传统固态栅极即使在低温下仍可有效工作，尽管其在高温（接近室温）时的效率不如电解质/离子液体栅极。其次，已知.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
我们感谢以下经费支持：日本学术振兴会（JSPS）特别推进研究助成金（编号 25000003）、日本文部科学省（MEXT）研究活动启动助成金（编号 15H06133）以及挑战性研究（探索型）助成金（编号 JP17K18748）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 超声波处理仪 | SND Co., Ltd. | US-2 | http://www.senjyou.jp/ |
| 旋涂仪 | ACTIVE Co.,Ltd. | ACT-300AII | http://www.acti-ve.co.jp/spincoater/standard/act300a2.html |
| 加热板 | TAIYO | HP131224 | http://www.taiyo-kabu.co.jp/products/detail.php?product_id=431 |
| 光学显微镜 | OLYMPUS | BX51 | https://www.olympus-ims.com/ja/microscope/bx51p/ |
| 电子束光刻机 | ELIONIX INC. | ELS-7500I | https://www.elionix.co.jp/index.html |
| 划片机 | TOKYO SEIMITSU CO., LTD. | A-WS-100A | http://www.accretech.jp/english/product/semicon/wms/aws100s.html |
| 引线键合机 | WEST·BOND | 7476D-79 | https://www.hisol.jp/products/bonder/wire/mgb/b.html |
| 物性测量系统 | Quantum Design | PPMS | http://www.qdusa.com/products/ppms.html |
| 锁相放大器 | Stanford Research Systems | SRS830 | http://www.thinksrs.com/products/SR810830.htm |
| 源表 | Textronix | KEITHLEY 2612A | http://www.tek.com/keithley-source-measure-units/smu-2600b-series-sourcemeter |
| KClO4 | Sigma-Aldrich | 241830 | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigald/241830?lang=ja®ion=JP |
| 聚乙二醇 | WAKO | 168-09075 | http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0116-0907 |
| 异丙醇 | WAKO | 169-28121 | http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=169-28121 |
| 甲基异丁基酮 | WAKO | 131-05645 | http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0113-0564 |
| 聚甲基丙烯酸甲酯 | MicroChem | PMMA | http://microchem.com/Prod-PMMA.htm |
| 丙酮 | WAKO | 012-26821 | http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=012-26821 |
参考文献
- Ahn, C. H., et al. Electrostatic modification of novel materials. Rev. Mod. Phys. 78, 1185-1212 (2006).
- Ahn, C. H., Triscone, J. M., Mannhart, J. Electric field effect in correlated oxide systems. Nature. 424, 1015-1018 (2003).
- Panzer, M. J., Frisbie, C. D.
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