用电解质浇注法对 WS₂纳米器件电子态的电场控制

该程序的总体目标是使用电解质门控来控制载流子数并在二硫化钨晶体管中实现电场诱导的量子相变。这项技术为实现量子相变提供了一种强大的策略，包括电场诱导的超导性。该技术的主要优点是，即使在低偏置电压下也能产生强电场，通过静电或电化学掺杂感应出较大的载流子密度。

要开始制备纳米管分散体，请将约 0.8 毫克的二硫化钨纳米管与 8 毫升的异丙醇混合。对混合物进行超声处理 20 分钟，以将纳米管粉末分散在异丙醇中。为避免加热悬浮液，请在超声处理后每 5 分钟静置 1 分钟。

接下来，打开旋涂机及其附带的真空泵。在真空吸盘中心放置干净的硅/二氧化硅基板，并固定到位。将 0.1 毫克/毫升的二硫化钨纳米管悬浮液滴加到基材上，直到基材表面完全覆盖。

以 4， 000 rpm 的速度旋涂基材 50 秒。要开始制备二硫化钨薄片，请将少量二硫化钨样品放在无硅胶带的粘合面上。小心地折叠和展开胶带，以机械方式从块状物中去除一层薄薄的二硫化钨。

继续折叠和展开胶带，直到脱落的样品将胶带覆盖成一层薄层。然后，将胶带轻轻地贴在干净的硅/二氧化硅基板的二氧化硅面上。对胶带施加轻微的压力，以将二硫化钨薄片转移到基材上。

小心地将胶带与基材分开，使基材表面涂有薄薄的二硫化钨薄片。要开始制造器件，请将涂有二硫化钨纳米管或薄片的硅/二氧化硅衬底放在旋涂机真空吸盘的中心。将 PMMA 滴剂滴在基材上，直到其表面被覆盖。

以 4， 000 rpm 的速度旋涂基材 50 秒，以均匀地涂覆 PMMA，从而保护二硫化钨纳米管或薄片不暴露在空气中。将 PMMA 涂层基材在 180 摄氏度下加热 1 分钟。接下来，将基板放在配备相机的光学显微镜的载物台上。

以 20 倍放大倍率检查基底，并鉴定 6 到 10 个合适大小的分离二硫化钨样品。以 5 倍、20 倍和 100 倍放大倍率拍摄每个分离样品的照片。然后，打开 CAD 软件，并加载基板晶格格式。

导入样品的图片，并从基材上的标记确定每张图片的大小和位置。在每个样品周围画一个 1， 200 微米的正方形和一个 300 微米的正方形。在每个大方块中设计大尺寸图案，包括栅极、源极、漏极和其他焊盘，不包括样品附近的精细结构。

在每个小方块中添加标记，以精确识别样品位置。为所有样本设计了图案后，请删除除图案和标记之外的所有图案。将图案和标记导出为 DXF 文件。

接下来，将衬底放在电子束光刻仪器的样品台上。将样品台插入主腔室，然后开始抽空腔室。将小标记的 DXF 文件转换为单元格文件。

标记用于电子束光刻的文件，并将文件保存为电子束光刻仪器的 con 格式。一旦主室压力低于 5 乘以 10 到负 5 帕斯卡，打开仪器软件并打开电子枪。用小标记对基材进行图案化。

然后，使用相同的过程用较大的设计拍打基板。光刻完成后，关闭电子束并退出软件。对主腔室进行通风，并去除有图案的基材。

将甲基异丁基酮和异丙醇的 1 到 3 混合物浸泡 30 秒，显影底物。用异丙醇洗涤底物，然后用氮气枪干燥显影的底物。以 5 倍、20 倍和 100 倍放大倍率为每个样品拍摄另一组照片。

将图像导入 CAD 软件。通过设计的小标记找到图像。然后，设计设备的精细结构。

用电子束光刻技术对基板进行图案化，显影并干燥基板。要开始电极沉积过程，请将图案化基板固定在气相沉积基板支架上。将基板支架连接到传输杆上，然后抽空腔室。

然后，将底物插入蒸发器的主腔室。开始旋转基板支架。撤离主房间。

打开百叶窗，沉积 5 纳米的铬作为初始粘附层。然后，将电流增加到 30 安培。以合适的沉积速率和厚度蒸发金。

关闭快门以结束沉积。慢慢将电流降至零，并关闭电流源。然后，停止基板支架旋转。

让基材在腔室中静置 1 小时，冷却至室温，然后再将其取出。接下来，用胶带覆盖焊盘和栅极，注意露出器件的精细结构。沉积 20 纳米二氧化硅层，以在电解质门控期间保护电极。

电极沉积后，通过将基板切成小块来分离器件。在室温下将一个装置浸入丙酮中 1 小时，以去除残留的 PMMA 和金。然后，用异丙醇清洗装置，并用氮气枪干燥。

将器件固定在带有导电银浆的芯片载体上。用 25 微米厚的金线将每个电极垫连接到芯片载体上的电极上。接下来，将一把镊子浸入电解质溶液中。

小心地将电解液涂抹在器件和栅极焊盘的精细结构上，不要覆盖电极焊盘。然后，将芯片支架固定在测量系统样品架上。使用传输杆将样品架插入系统。

将腔室抽真空至高真空条件。使用测量软件执行运输测量。观察到二硫化钨纳米管和薄片器件的双极传输曲线。

双极行为是可逆且可重复的，这表明这些作是由静电掺杂引起的。研究了二硫化钨纳米管器件的源极-漏极电流与栅极电压和等待时间的函数关系。初始饱和行为表明静电掺杂。

在较高的栅极电压下观察到电化学掺杂。当栅极电压保持在 8 伏特数分钟时，源极-漏极电流急剧增加，表明钾离子嵌入二硫化钨层而不会损坏晶体结构。对于二硫化钨片状器件，观察到类似的栅极响应。

当栅极电压增加到 6 V 时，发生了饱和行为，但未观察到载流子密度的显著变化。这种行为表明了静电掺杂。当栅极电压超过 6 伏时，源极-漏极电流和载流子密度都会增加，这表明发生了插层。

电化学掺杂后，二硫化钨纳米管和片状器件在低温下均表现出超导性。该技术发展后，为凝聚态物理学和材料科学的研究人员探索电相变铺平了道路，包括电场诱导的超导性和各种材料中的结构相变。看完这个视频后，您应该对如何在固体上使用离子液体门控进行静电和电化学掺杂有了很好的了解。