Name: Elektrisches Feld Kontrolle der elektronischen Zustände in WS2 Nanosysteme durch Elektrolyt Anspritzung (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-12T13:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 36 s
Description: Erfahren Sie die Elektrolyt-Gating-Methode zur Steuerung der Ladungsträgerdichte in WS₂-Transistoren für quanteninduzierte Phasenübergänge. Diese Technik ermöglicht elektrische Feldkontrolle bei niedriger Bias-Spannung.

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Wir anerkennen, dass die folgenden finanziellen Unterstützung; Beihilfe für Forschung (Nr. 25000003) von JSPS speziell gefördert, Beihilfe für Forschung Tätigkeit Inbetriebnahme (No.15H06133) und anspruchsvolle Forschung (explorative) (No. JP17K18748) von MEXT Japans.

(1) Dispersion von WS 2 Nanoröhren (NTs) auf Substrat
<ol><li>WS2 NT Pulver in Isopropylalkohol (IPA, Konzentration mehr als 99,8 %) mit richtigen verdünnten Verhältnis (ca. 0,1 mg/mL) durch Ultraschallbehandlung für 20 min zu zerstreuen. Hinweis: Der langjährige Beschallung hilft, WS2 NTs gleichmäßig ausgesetzt in IPA Flüssigkeit und separate wohlgeformt individuelle WS2 NTs von amorphen WS2 oder andere Dschunken machen, sowie den Müll ansammeln auf WS2 NTs zu entfernen Oberfläche. Abbildung 2 b zeigt die endgültige Aufhebung der WS2 NTs. Da die Aussetzung bei der Beschallung beheizt werden kann, ist es besser, Beschallung an alle 5 min zu stoppen und Beschallung nach 1 min weiter.</li>
	<li>Spin-Coating-Verfahren, WS2 NTs auf Substrat zu zerstreuen.<ol>
<li>Starten Sie den Spin Coater Maschine und Vakuumpumpe. Legen Sie eine Si/SiO2 (3000 Å) Substrat (1 x 1 cm) in der Mitte der der Chuck und befestigen Sie es durch ein Vakuum mit Pumpen-Geschwindigkeit von 80 L/min und Enddruck von 20 kPa. Hinweis: Es gibt ein Loch befindet sich in der Mitte des Futters an der Vakuumpumpe anschließen, damit das Substrat durch Unterdruck fixiert ist (Saugvermögen beträgt 80 L/min. und Enddruck beträgt 20 kPa). Der Unterdruck kann je nach Pumpe unterscheiden.</li>
		<li>Bedienfeld der Spin Coater Maschine relevanten Parameter der Prozedur vorgegeben. Hinweis: Es gibt drei Schritte während der Spin-Coating-Verfahren: (1) langsam beschleunigen bis zu 500 u/min innerhalb der ersten 3 s, (2) schnell Drehzahl bis 4000 u/min und fahren Sie für 50 s, (3) verlangsamen und Stop spinning für die letzten 3 s. Diese Parameter können abhängig von der Verwendung von Spin Coater unterschiedlich sein.</li>
		<li>Setzen Sie einen Tropfen (ca. 0,01 mL) über die Aussetzung der WS2 NT made in (1.1) von einer Pipette auf das Substrat, bis das Substrat durch die Federung vollständig bedeckt ist (wenn nicht, setzen Sie mehr Tröpfchen). Dann Start Spin-Coating mit relevanten Parameter (1.2.2).</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Vorbereitung des dünnen Flocken auf Substrat über Scotch Tape-Methode
<ol><li>Setzen Sie eine kleine Sammelprobe von WS2 (gewachsen über chemische Dampf Transportmethode) auf Tesafilm. Das tesaband Falte und entfalte es langsam um die dünne Schicht von der Masse mechanisch ein Peeling. Wiederholen Sie diesen Vorgang mehrmals, bis die abgestoßene Proben dünn genug sind. Hinweis: Abbildung 2 g und 2 h zeigen das erste Band mit wenig Gesamtprobe WS2 und das letzte Band nach mehreren Falten Eingriffen, beziehungsweise.</li>
	<li>Fügen Sie das Klebeband auf der Oberseite Substrat Kopf, leicht drücken Sie das Klebeband und entfernen Sie vorsichtig das Klebeband von der Spitze des Substrats. Hinweis: Nach dem Entfernen des Bandes, es gibt viele dünne Flocken Links auf dem Substrat.</li>
</ol>3. Gerät Fabrikation durch Elektronenstrahllithografie.
<ol><li>Spin-Coating-Verfahren zur Deckung des Resists für Elektronenstrahllithographie.<ol>
<li>Folgen Sie dem gleichen Spin-Coating-Verfahren (1.2.1) beschrieben und (1.2.2).</li>
		<li>Legen Sie einen Tropfen (ca. 0,04 mL) von Polymethyl Methacrylat (PMMA) mit einer Pipette auf das Substrat bis das Substrat von PMMA vollständig bedeckt ist. Dann starten Sie Spin-Coating-Verfahren zur Deckung gleichmäßig PMMA auf WS2 Probe, um zu verhindern, dass es in der Luft ausgesetzt werden. Hinweis: PMMA ist eines der resiste für Elektronenstrahllithographie.</li>
		<li>Nach Spin-Coating legte das Substrat auf Blech bei 180 ° C und für 1 Minute erhitzen. Hinweis: Diese Parameter können je nach Resist-Typen unterscheiden.</li>
	</ol></li>
	<li>Auswahl von optischen Mikroskopie.<ol>
<li>Starten Sie den optischen Mikroskopie und Kamera. Setzen Sie das Substrat auf der Bühne.</li>
		<li>Bühne zu bewegen und die gesamte Region des Substrates mit richtigen Vergrößerung (20 X) scannen und wählen Sie in der Zwischenzeit isolierte Proben mit geeigneter Größe. Hinweis: Insgesamt sind 6 bis 10 isolierte Proben in der Regel für jedes Substrat von 1 cm x 1 cm wählbar.</li>
		<li>Machen Sie Fotos von jeder Stichprobe mit unterschiedlicher Vergrößerung 5 X, 20 X und 100 X. Diese Fotos werden verwendet, um die Position jeder einzelnen Probe zu identifizieren.</li>
	</ol></li>
	<li>Entwurf des Musters großen Gerät.<ol>
<li>Aktivieren Sie die AutoCAD-Software, und laden Sie das Format der Substrat-Gitter. Einfügen von Fotos in (3.2) und die Größe und Position der einzelnen Fotos je nach den Markierungen auf dem Substrat zu identifizieren.</li>
		<li>Legen Sie ein großes Quadrat mit Länge von 1200 µm und einen kleinen Platz mit einer Länge von 300 µm, die jede Probe umgeben sollte.</li>
		<li>Groß angelegte Entwurfsmuster einschließlich Tor, Quelle, Bach und anderen Pads auf dem großen Platz mit Ausnahme von feinen Strukturen in der Nähe von der Probe. Entwerfen Sie kleine Flecken in der Nähe der Probe genau die Lage der Proben im späteren Verlauf des Designs für das kleine Gerät Muster identifizieren.</li>
		<li>Wiederholung (3.3.2) (3.3.3) für jede Probe.</li>
		<li>Notieren Sie die Koordinaten des Mittelpunkts für jedes große und kleine Quadrat, beziehungsweise.</li>
		<li>Löschen Sie eingefügte Fotos, große und kleine Quadrate und Substrat Gitter Format, so dass nur die große Muster und kleine Markierungen. Exportieren Sie große Muster und kleine Markierungen als Dxf-Dateien bzw..</li>
	</ol></li>
	<li>Ersten Elektronenstrahllithografie.<ol>
<li>Brachte das Substrat auf die Bühne zu beheben und die Bühne in der Hauptkammer des Elektron-Lichtstrahl Lithographie Maschine einfügen.</li>
		<li>ECA-Programm (ein Programm zur Erzeugung einer Datei in Elektronen Strahl Prozess verwendet) zu aktivieren. Feldgröße als 300 für die Lithografie kleine Markierungen festgelegt. Verwenden Sie Werkzeug der Dxf-Konverter Dxf Datei auf Zelle Datei übertragen.</li>
		<li>Laden Sie die Zelle Datei erzeugt in (3.4.2) zu, geben Sie den Dateinamen, identifizieren Sie Herkunft zu und identifizieren Sie Punkte mit den Koordinaten von kleinen Quadraten in (3.3.5) festgestellt. Schließlich erkennen die Koordinaten der große A und B-Marken und kleine A und B für jeden Punkt markiert. Hinweis: Das große A und B Markierungen werden verwendet, um die Richtung der Bühne, während kleine A und B korrigieren Markierungen werden verwendet, um die Diskrepanz zwischen gestaltete Muster und gedruckten Muster, während die kleinräumige Musterdesign zu identifizieren.</li>
		<li>Speichern Sie die Datei als Con Datei und warten Sie, bis der Druck in der Hauptkammer niedriger als 5 x 10-5 PA ist. Hinweis: Da der Elektronenstrahl high Energy ist (50 kV Beschleunigungsspannung), die hohe Qualität des Vakuums ist erforderlich.</li>
		<li>Wenn der Druck der Hauptkammer niedrig wird genug für die Elektron Lichtstrahl Lithographie Prozess aktivieren Electron Beam Control Programm ESL-7500 und schalten Sie anschließend die Elektronenkanone.</li>
		<li>Schalten Sie das Rasterelektronenmikroskop (REM) und verschieben Sie die Bühne in die Position, wo das Substrat auf dem Bildschirm. Einstellen der Helligkeit, Kontrast und Fokus.</li>
		<li>Stellen Sie den Winkel der Bühne von der Beurteilung der relativen Position des großen A und B markiert, die ursprünglich auf dem Substrat, bis der Fehler der Richtung bei Vergrößerung von 5000 X vernachlässigbar ist. Nach der Korrektur der Richtung der Bühne, Registrieren der Position der großen Marke.</li>
		<li>Legen Sie die Amplitude des Elektronenstrahls für Lithographie; 100 pA ist für kleine Markierungen Lithographie. Verschieben Sie die Phase zur Position Amplitude tuning und wählen Sie den spot-Modus für die Kamera, ändern Sie die Amplitude des Elektronenstrahls zu, bis es 100 pA Ampere Meter erreicht. Nach der Einstellung der Amplitude des Elektronenstrahls, Einstellen der Helligkeit, Kontrast und Fokus.</li>
		<li>Gespeichert Con Datei laden in (3.4.4) in der ECA-Programm. Relevanten Parameter einstellen: 2 s für Dosis Zeit und 300 für Feldgröße. Schließlich starten Sie die Belichtung. Hinweis: Dosis Zeit kann je nach der Resist unterscheiden.</li>
		<li>Zurück zu Elektronen Strahl Steuerprogramm ESL-7500 5000 X Vergrößerung eingestellt und verschieben Sie die Phase an die eingetragene Position der großen Marke. Bestätigen Sie die Position der großen A und B markiert.</li>
		<li>Stellen Sie 30000 X Vergrößerung und bestätigen Sie die Position des kleinen A und B für die Lithografie der ersten kleinen Marken entworfen (3.3.3) markiert. Hinweis: Die Lithographie beginnt nach klein konform markiert und einige Sekunden dauert.</li>
		<li>Wiederholen Sie nach Beendigung der Lithographie diesen Vorgang für alle Proben. Endlich beenden Sie der Belichtungsvorgang zu und schließen Sie das ECA-Programm.</li>
		<li>Folgen Sie den gleichen Prozess von (3.4.2) bis (3.4.10) mit unterschiedlichen Parametern für die Lithographie des großen Musters (3.3.3) entworfen. Festlegen Sie in (3.4.2) Feldgröße als 1200. (3.4.3), identifizieren nur Koordinaten der großen A und B markiert mit Ausnahme der kleinen A und B markiert. Legen Sie in (3.4.8) die Amplitude des Elektronenstrahls als 1000 pA für die Lithographie des großen Musters. Wählen Sie im (3.4.9) 1200 der Feldgröße. Hinweis: Nach dem Prozess der (3.4.10), Lithographie von das große Muster beginnt und dauert mehrere Stunden.</li>
		<li>Nach Beendigung der Lithographie des großen Musters, verschieben Sie die Phase in die ursprüngliche Position der Elektronenstrahl schalten Sie aus, und beenden Sie die Belichtung und die ECA-Programm. Öffnen der Hauptkammer und entnehmen Sie das Substrat.</li>
	</ol></li>
	<li>Zuerst entwickeln.<ol>
<li>Machen Sie eine Lösung aus Methyl-Isobutyl-Keton (MIBK) und IPA mit dem Verhältnis von MIBK: IPA = 1:3. Tauchen Sie das Substrat in die Lösung für 30 s, und durch IPA Flüssigkeit waschen und trocknen Sie es durch die Stickstoff-Pistole. Hinweis: Die Entwicklungszeit kann abhängig von den Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit ändern.</li>
		<li>Machen Sie Fotos von optischen Mikroskopie für jedes gedruckte Muster mit unterschiedlicher Vergrößerung 5 X, 20 X und 100 X.</li>
	</ol></li>
	<li>Gestaltung von kleinen Gerät Muster.<ol>
<li>Folgen Sie den gleichen Prozess in (3.3). Laden Sie in (3.3.1) das Muster von Substrat Gitter einschließlich gestaltete kleinen Markierungen in (3.3.3) zu, und fügen Sie Fotos, die nach der ersten Entwicklung. Hinweis: Die Größe und Position der einzelnen Fotos richtet sich nach den kleinen Marken entworfen (3.3.3), anstelle von Markierungen auf dem Substrat.</li>
		<li>Entwerfen Sie die feine Struktur der Gerät-Muster mit Quelle, abtropfen lassen und andere Elektroden in kleine Quadrate in einer Halle Bar-Konfiguration mit dem gedruckten große Muster verbunden ist. Nach dem Entwurf kleine Muster für alle Geräte, erfassen Sie die Koordinaten von kleinen Quadraten.</li>
		<li>Löschen Sie eingefügte Fotos, kleine Plätze und Substrat Muster, so dass nur der kleine Muster. Exportieren Sie das kleine Muster als Dxf-Datei.</li>
	</ol></li>
	<li>Zweite Elektronenstrahllithografie.<ol>
<li>Folgen Sie den gleichen Prozess von (3.4.1) bis (3.4.11) mit den gleichen Parametern für die Lithografie von das kleine Muster entworfen (3,6); 300 für Feldgröße und wählen Sie 100 pA für die Amplitude des Elektronenstrahls. Hinweis: Die Lithographie-Vorgang dauert mehrere Minuten für jedes kleine Muster.</li>
		<li>Verschieben Sie nach der Lithographie von kleinen Muster die Phase in die ursprüngliche Position schalten Sie den Elektronenstrahl, beenden Sie den Belichtungsvorgang und schließen Sie das ECA-Programm. Öffnen der Hauptkammer und entnehmen Sie das Substrat.</li>
	</ol></li>
	<li>Zweitens entwickelt.<ol>
<li>Folgen Sie den gleichen Prozess (3.5) mit Entwicklungsländern zeitgleich mit 30 s.</li>
		<li>Machen Sie Fotos von optischen Mikroskopie für jedes Muster mit unterschiedlicher Vergrößerung 5 X, 20 X und 100 X.</li>
	</ol></li>
</ol>(4) Ablagerung von Elektroden
<ol><li>Ablagerung von gold-Elektroden.<ol>
<li>Befestigen Sie das Substrat auf Substrat Halter, Transfer Stab setzen Sie den Substrat-Halter auf und legen Sie sie in die Hauptkammer des Verdampfers. Drehen des Substrat-Inhabers zu starten.</li>
		<li>Erste Einzahlung Cr 5 nm Dicke als die Adhäsion Schicht. Wenn der Druck in der Hauptkammer weniger als 10-4 Pa wird, schalten Sie die Hochspannungsquelle.</li>
		<li>Erhöhen Sie den Strom der Elektronenkanone sorgfältig mit fester Beschleunigungsspannung von 4 kV, bis die Hinterlegung Rate gemessen durch dicke Monitor stabil über 0,5 Å/s wird (in der Regel vorher verdunsten Cr von ca. 5 nm).</li>
		<li>Der Verschluss geöffnet und Cr zu hinterlegen, bis zu 5 nm Dicke. Schließen Sie den Auslöser, langsam verringern Sie den Strom der Elektronenkanone auf NULL zu, und schalten Sie die Hochspannungsquelle.</li>
		<li>Anschließend Zahlen Sie Au der entsprechenden Dicke. Schalten Sie die Stromquelle und steigern Sie langsam den Strom bis zu 30 A. verflüchtigen Au durch den Strom von 30 A, zu halten, bis die Hinterlegung Rate gemessen durch dicke Monitor stabil ca. 1 Å/s wird (in der Regel vorher verdunsten Au von etwa 10 nm).</li>
		<li>Öffnen Sie den Verschluss und starten Sie, Hinterlegung Au. Schließen Sie nach Erreichen der gewünschten Dicke den Auslöser, langsam verringern Sie den Strom auf NULL zu, und schalten Sie die Stromquelle. Hinweis: Wir verwenden 60 nm für dünne Flake und 90 nm für NT. Die entsprechende Dicke ist abhängig von der Probe.</li>
		<li>Da das Substrat während der Abscheidung erwärmt wird, bleiben Sie das Substrat in der Kammer 1 h zur Abkühlung der Temperatur Raumtemperatur in der Nähe von. Drehen des Substrat-Inhabers zu stoppen und durch Übertragung Stab herausnehmen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Ablagerung von SiO2 Schutzschicht.<ol>
<li>Decken Sie mit Hilfe der optischen Mikroskopie die Pads und die gateelektroden mit dem Band. Hinweis: Grundsätzlich sind nur die feinen Strukturen der Elektroden Kaution SiO2 Schicht zum Schutz der Elektroden gegen die chemische Reaktion während der Elektrolyt Anspritzung ausgesetzt.</li>
		<li>Folgen Sie den gleichen Prozess von (4.1.1) nach (4.1.4) um einzahlen zu Cr 5 nm Dicke als Adhäsion Schicht.</li>
		<li>Anschließend folgen Sie den gleichen Prozess von (4.1.1) nach (4.1.4) um einzahlen zu SiO2 von 20 nm Dicke. Hinweis: Die Hinterlegung SiO2 beträgt ca. 1 Å/s, während vorher Verdampfen von SiO2 von etwa 10 nm.</li>
		<li>Das Substrat in der Kammer für 1 h Stop Drehen des Substrat-Inhabers abkühlen und durch den Transfer Stab herausnehmen. Entfernen Sie das Klebeband unter Mikroskopie.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. Abschluss des Gerätes
<ol><li>Substrat zu Ritzen.<ol>
<li>Aktivieren Sie die Ritzen Maschine und Vakuumpumpe mit Saugvermögen von 50 L/min und Enddruck von 30 kPa. Beheben Sie das Substrat auf der Bühne von Vakuum Chuck und passen Sie den Winkel und die Position des Substrats.</li>
		<li>Ritzen Sie das Substrat in kleine Stücke (in der Regel ca. 3 x 3 mm). Hinweis: Die Größe eines jeden Stückes ist die Lage jeder Stichprobe und gestaltete Muster abhängig.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Gerät abheben.<ol>
<li>Wählen Sie ein Gerät und Tauchen Sie es in Aceton (Konzentration mehr als 99,5 %) für 1 h bei Raumtemperatur, die redundante PMMA und Gold zu entfernen. Nur die vorgefertigten Elektroden sind Links auf Substrat.</li>
		<li>Waschen Sie nach dem Lift-Off-Prozess das Substrat durch IPA zu und trocknen Sie es durch Stickstoff-Pistole.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Drahtbonden.<ol>
<li>Drahtbonden Maschine einschalten. Befestigen Sie das Substrat auf dem Chip-Carrier über Splitter einfügen. Hinweis: Für WS2 NT Fall verwenden wir horizontale Rotator, dargestellt in Abbildung 2n.</li>
		<li>Schließen Sie mit Hilfe von Drahtbonden Maschine jede Elektrode Pad und Elektrode des Chip-Carrier eins nach dem anderen mit Golddraht.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Elektrolyt Tröpfchen setzen.<ol>
<li>Setzen Sie einen Tropfen des Elektrolyts (weniger als 0,5 µL) Geräteoberseite durch eine Pinzette nach dem Eintauchen in die Elektrolyt-Flüssigkeit. Hinweis: Die Menge des Elektrolyten ist sehr wenig; Es umfasst die Feinstruktur des Geräts und Tor Pad vermeidet aber deckt die Elektroden. Wir verwenden den Elektrolyten KClO4 (Konzentration mehr als 99 %) aufgelöst in Polyethylenglykol (PEG; Mw = 600) mit einem [K]: [O] Verhältnis von 01:20 nach der vorherigen Veröffentlichung38.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. Transport Messungen
<ol><li>Befestigen Sie den Chip-Träger auf der Probenhalter, und steckte ihn in der Kammer des Messsystems der physikalischen Eigenschaften von den Transfer-Rod. Pumpen Sie die Kammer durch die hohen Vakuumbetrieb.</li>
	<li>Mess-System einschließlich der Lock-in Verstärker, Nano-Voltmeter, Quelle Meter und Verstärker zu verbinden. Anwenden einer Konstanten Wechselstrom (AC) mit der Frequenz von 13 Hz AC-Lock-in-Messungen durchführen.</li>
	<li>Führen Sie das Keysight VEE Programm (Messprogramme).</li>
	<li>Bei der Messung von Tor Reaktion, wenn die Gate-Spannung auf den Elektrolyten angewendet wird (dh., zwischen Source und Gate Elektroden), fegen die Gate-Spannung mit Geschwindigkeit von 50 mV/s bei 300 K unter Hochvakuum-Bedingung zur Verringerung des Einflusses der Luft auf die Gating Leistung.</li>
	<li>Bei der Messung der Temperaturabhängigkeit des Widerstandes zuerst Abkühlen bis 200 K mit der Abkühlgeschwindigkeit von 1 K/min in einem Hochvakuum-Zustand, dann ändern Sie in He bereinigt Zustand und halten bis zu 10 K mit der Abkühlgeschwindigkeit von 1 K/min Kühlung. Wenn die Temperatur niedriger als 10 K ist, kühlen Sie lassen ab und mit der Rate von 0,2 K/min erwärmen. Hinweis: In der He-bereinigt Zustand, die thermische Leitfähigkeit und daraus resultierende Temperatur ist Stabilität besser als jene in einem Hochvakuum-Zustand.</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

In WS2 NTs und Flocken, haben wir erfolgreich die elektrischen Eigenschaften von elektrostatischen kontrolliert oder Elektro-Chemikalien-Frachter doping.
In elektrostatischen doping Region ist ambipolar Transistor Betrieb beobachtet worden. So ambipolar Transfer-Kurve mit hohem ein-/aus-Verhältnis (> 102) beobachteten in niedrigen Bias Spannung zeigt die effektive Träger doping an der Schnittstelle von Elektrolyt gating Technik für tuning das Fermi-Niveau dieser Systeme.<...

Kontrolle über die Anzahl der Träger ist der Key-Technik für die quantenphasenübergang in Feststoffen1zu realisieren. In der konventionellen Feldeffekttransistor (FET) wird durch Verwendung von soliden Tor1,2erreicht. In einem solchen Gerät ist elektrische mögliche Steigung der dielektrischen Materialien einheitlich so diese induzierte Träger Zahl an der Schnittstelle begrenzt, dargestellt in Abbildung 1a.
Auf der anderen Seite erreichen wir die höhere Dichte der Träger an der Schnittstelle oder Masse, indem die festen dielektrischen Materialien mit ionischen Gele/Flüssigkeiten oder Polymer Elektrolyte3,4,5,6, 7,8,9,10,11 (Abbildung 1 b). In der elektrostatischen doping durch Verwendung von ionischen Flüssigkeit Elektrische Doppelschicht Transistor (EDLT) Struktur wird an der Schnittstelle zwischen ionischen Flüssigkeit und Probe, Erzeugung von starken elektrischen Feld gebildet (> 0,5 V/Å) auch bei geringer Vorspannung. Daraus resultierende hohe Träger Dichte (> 1014 cm-2) induziert die Schnittstelle10,12,13 Ursache die neuartige elektronische Eigenschaften oder Quanten Phasenübergang wie e-Feld-induzierte Ferromagnetismus14, Coulomb Blockade15, ambipolar Transport16,17,18,19,20, 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, Bildung von p-n-Übergang und daraus resultierende Electroluminance28,29,30, großer Modulation der thermoelektrische Kräfte31,32, laden Dichte Welle und Mott Übergänge33,34,35, und e-Feld-induzierte Isolator-Metall Übergang36,37 , einschließlich e-Feld-induzierte Supraleitung9 ,10,11,38,39,40,41,42,43,44 ,45,46,47,48,49.
In den Elektrolyten gating (Abbildung 1 c), Ionen sind nicht nur an der Schnittstelle zur Form EDLT angesammelt, sondern können auch in Schichten der zweidimensionalen Materialien über thermische Diffusion ohne schädliche Probe unter Anwendung der großen Gate-Spannung eingelagert werden, führt zu den elektrochemischen doping8,9,11,34,38,50,51,52,53 . So können wir die Träger-Anzahl im Vergleich zu den konventionellen Feldeffekt-Transistors mit soliden Tor drastisch ändern. E-Feld-induzierte Supraleitung9,11,34,38,50 erfolgt insbesondere durch Verwendung von Elektrolyt Anspritzung in der Region der großen Träger Anzahl, wo wir nicht von der herkömmlichen festen gating-Methode zugreifen können.
In diesem Artikel stellen wir diese einzigartige Technik der Träger Nummer Kontrolle in Festkörpern und Übersicht der Transistor Betrieb und e-Feld-induzierte Supraleitung in halbleitenden WS2 Proben wie WS2 Flocken und WS2 Nanoröhren54,55,56,57.

<table><tbody><tr><td>Beschallungsgerät</td><td>SND Co., Ltd.</td><td>US-2</td><td>http://www.senjyou.jp/</td></tr> <tr><td>Schleuder-Beschichtungsmaschine</td><td>ACTIVE Co., Ltd.</td><td>ACT-300AII</td><td>http://www.acti-ve.co.jp/spincoater/standard/act300a2.html</td></tr><tr><td>Heizplatte</td><td>TAIYO</td><td>HP131224</td><td>http://www.taiyo-kabu.co.jp/products/detail.php?product_id=431</td></tr><tr><td>Optische Mikroskopie</td><td>OLYMPUS</td><td>BX51</td><td>https://www.olympus-ims.com/ja/microscope/bx51p/</td></tr> <tr><td>Elektronenstrahl-Lithographiegerät</td><td>ELIONIX INC.</td><td>ELS-7500I</td><td>https://www.elionix.co.jp/index.html</td></tr><tr><td>Ritzmaschine</td><td>TOKYO SEIMITSU CO., LTD.</td><td>A-WS-100A</td><td>http://www.accretech.jp/english/product/semicon/wms/aws100s.html</td></tr><tr><td>Drahtbondmaschine</td><td>WEST&middot; ANLEIHE&nbsp;</td><td>7476D-79</td><td>https://www.hisol.jp/products/bonder/wire/mgb/b.html</td></tr><tr><td>Messsystem für physikalische Eigenschaften</td><td>Quantum Design</td><td>PPMS</td><td>http://www.qdusa.com/products/ppms.html</td></tr><tr><td>Lock-in-Verstärker</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SRS830</td><td>http://www.thinksrs.com/products/SR810830.htm</td></tr><tr><td>Quellenmessgerät</td><td>Textronix</td><td>KEITHLEY 2612A</td><td>http://www.tek.com/keithley-source-measure-units/smu-2600b-series-sourcemeter</td></tr><tr><td>KClO4</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>241830</td><td>http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigald/241830?lang=ja&region=JP</td></tr><tr><td>PEG</td><td>WAKO</td><td>168-09075</td><td>http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0116-0907</td></tr><tr><td>IPA</td><td>WAKO</td><td>169-28121</td><td>http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=169-28121</td></tr><tr><td>MIBK</td><td>WAKO</td><td>131-05645</td><td>http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0113-0564</td></tr><tr><td>PMMA</td><td>MicroChem</td><td>PMMA</td><td>http://microchem.com/Prod-PMMA.htm</td></tr><tr><td>Aceton</td><td>WAKO</td><td>012-26821</td><td>http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=012-26821</td></tr></tbody></table>

elektrisches feld kontrolle der elektronischen zustände in ws2 nanosysteme durch elektrolyt anspritzung

Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating

Eine Methode der Träger Nummer Kontrolle durch Elektrolyt Anspritzung wird demonstriert. Wir haben WS2 dünne Flocken mit atomar flachen Oberfläche per Tesafilm Methode oder individuelle WS2 Nanoröhren erhalten, durch die Aussetzung der WS2 Nanoröhren Dispergieren. Die ausgewählten Beispiele haben in Geräte durch den Einsatz von der Elektronenstrahllithographie hergestellt worden und Elektrolyt wird auf den Geräten. Wir haben die elektronischen Eigenschaften der Geräte unter Anwendung der Gate-Spannung gekennzeichnet. Im Großraum kleiner Gate-Spannung werden Ionen im Elektrolyten auf der Oberfläche der Proben gesammelt, führt zu der großen elektrischen potenzielle Drop und daraus resultierenden elektrostatische Träger doping an der Schnittstelle. Ambipolar Transfer Kurve ist elektrostatische doping hierzulande beobachtet worden. Wenn die Gate-Spannung weiter erhöht, trafen wir eine weitere drastische Erhöhung der Source-Drain-Strom, der impliziert, dass Ionen in Schichten von WS2 Zwischenspiele sind und elektrochemische Träger doping realisiert. In einer solchen elektrochemischen doping Region wurde Supraleitung beobachtet. Die fokussierte Technik bietet eine wirkungsvolle Strategie zur Erreichung der Elektro-eingereicht-induzierte quantenphasenübergang.

Die typische Transistor Operationen eine individuelle WS2 NT und ein WS2 Flocke-Geräte erscheinen in Abbildung 3a und 3 b, bzw. wo die Quelle drain Strom (ichDS) in Abhängigkeit von der Gate-Spannung (V G) schön in einem ambipolar Modus, zeigt einen bemerkenswerten Kontrast zu der unipolaren Tor Antwort von den herkömmlichen festen gated FET in früheren Publikation<sup class="xref...

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um die Anzahl der Träger in Festkörpern mit Elektrolyten steuern.

Elektrisches Feld Kontrolle der elektronischen Zustände in WS2 Nanosysteme durch Elektrolyt Anspritzung

A method of carrier number control by electrolyte gating is demonstrated. We have obtained WS2 thin flakes with atomically flat surface via scotch tape ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, mit Hilfe von Elektrolyt-Gating die Ladungsträgerzahl zu kontrollieren und elektrisch feldinduzierte Quantenphasenübergänge in Wolframdisulfid-Transistoren zu erreichen. Diese Technik bietet eine leistungsfähige Strategie zur Erzielung von Quantenphasenübergängen, einschließlich der durch elektrische Felder induzierten Supraleitung. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass auch bei niedriger Vorspannung ein starkes elektrisches Feld erzeugt werden kann, das durch elektrostatische oder elektrochemische Dotierung eine große Ladungsträgerdichte induziert.Um mit der Herstellung der Nanoröhrendispersion zu beginnen, kombinieren Sie etwa 0,8 Milligramm Wolframdisulfid-Nanoröhrchen mit acht Millilitern Isopropylalkohol. Beschallen Sie die Mischung 20 Minuten lang, um das Nanoröhrenpulver im Isopropylalkohol zu dispergieren. Um eine Erwärmung der Suspension zu vermeiden, ruhen Sie sie alle fünf Minuten nach der Beschallung eine Minute lang aus.Schalten Sie als Nächstes einen Spin-Coater und die daran angeschlossene Vakuumpumpe ein. Legen Sie ein sauberes Silikon-/Siliziumdioxid-Substrat in die Mitte des Vakuumspannfutters und befestigen Sie es. Tragen Sie die 0,1 Milligramm pro Milliliter Wolframdisulfid-Nanoröhrensuspension in Tropfen auf das Substrat auf, bis die Substratoberfläche vollständig bedeckt ist.Schleudern Sie das Substrat bei 4.000 U/min für 50 Sekunden. Um mit der Vorbereitung der Wolframdisulfid-Flocken zu beginnen, geben Sie eine kleine Großprobe Wolframdisulfid auf die Klebeseite des silikonfreien Klebebandes. Falten und entfalten Sie das Klebeband vorsichtig, um eine dünne Schicht Wolframdisulfid mechanisch von der Masse zu entfernen.Fahren Sie mit dem Falten und Entfalten des Bandes fort, bis die abgeblätterte Probe das Band als dünne Schicht bedeckt. Bringen Sie dann das Klebeband vorsichtig auf der Siliziumdioxid-Oberfläche eines sauberen Silizium/Siliziumdioxid-Substrats an. Üben Sie leichten Druck auf das Klebeband aus, um die Wolframdisulfid-Flocken auf den Untergrund zu übertragen.Trennen Sie das Klebeband vorsichtig vom Substrat und lassen Sie die Substratoberfläche mit dünnen Wolframdisulfid-Flocken überzogen. Um mit der Herstellung des Geräts zu beginnen, platzieren Sie ein mit Wolframdisulfid-Nanoröhren oder dünnen Flocken beschichtetes Silizium-/Siliziumdioxid-Substrat in der Mitte eines Spin-Coater-Vakuumfutters. Tragen Sie Tropfen PMMA auf den Untergrund auf, bis seine Oberfläche bedeckt ist.Schleudern Sie das Substrat 50 Sekunden lang bei 4.000 U/min, um das Substrat gleichmäßig mit PMMA zu beschichten und so die Wolframdisulfid-Nanoröhren oder -Flocken vor Lufteinwirkung zu schützen. Erhitzen Sie das PMMA-beschichtete Substrat eine Minute lang bei 180 Grad Celsius. Legen Sie anschließend das Substrat auf den Tisch eines optischen Mikroskops, das mit einer Kamera ausgestattet ist.Untersuchen Sie das Substrat bei 20-facher Vergrößerung und identifizieren Sie sechs bis 10 isolierte Wolframdisulfidproben geeigneter Größe. Fotografieren Sie jede isolierte Probe mit 5-facher, 20- und 100-facher Vergrößerung. Öffnen Sie dann die CAD-Software und laden Sie das Substratgitterformat.Importieren Sie die Bilder der Proben, und bestimmen Sie die Größe und Position der einzelnen Bilder anhand der Markierungen auf dem Substrat. Zeichnen Sie ein Quadrat von 1.200 Mikrometern und ein Quadrat von 300 Mikrometern um jede Probe. Entwerfen Sie großflächige Muster, einschließlich Gate, Source, Drain und andere Pads in jedem großen Quadrat, ohne feine Strukturen in der Nähe der Proben.Fügen Sie in jedem kleinen Quadrat Markierungen hinzu, um die Probenpositionen genau zu identifizieren. Wenn Muster für alle Muster entworfen wurden, löschen Sie alle Muster bis auf die Muster und Markierungen. Exportieren Sie die Muster und Markierungen als DXF-Dateien.Legen Sie anschließend das Substrat auf den Probentisch eines Elektronenstrahllithographie-Instruments. Setzen Sie den Probentisch in die Hauptkammer ein und beginnen Sie mit der Evakuierung der Kammer. Konvertieren Sie die DXF-Datei mit kleinen Markierungen in eine Zellendatei.Markieren Sie die Datei für die Elektronenstrahllithographie, und speichern Sie die Datei im con-Format für das Elektronenstrahllithographiegerät. Sobald der Druck der Hauptkammer unter fünf mal 10 bis minus fünf Pascal fällt, öffnen Sie die Gerätesoftware und schalten Sie die Elektronenkanone ein. Strukturieren Sie den Untergrund mit den kleinen Markierungen.Tupfen Sie dann das Substrat mit den größeren Designs auf die gleiche Weise. Wenn die Lithografie abgeschlossen ist, schalten Sie den Elektronenstrahl aus und beenden Sie die Software. Entlüften Sie die Hauptkammer und entfernen Sie das gemusterte Substrat.Entwickeln Sie das Substrat, indem Sie es 30 Sekunden lang in ein bis drei Mal in eine Mischung aus Methylisobutylketon und Isopropylalkohol eintauchen. Waschen Sie den Untergrund mit Isopropylalkohol und trocknen Sie den entwickelten Untergrund mit einer Stickstoffpistole. Machen Sie von jeder Probe einen weiteren Satz Bilder mit 5-facher, 20- und 100-facher Vergrößerung.Importieren Sie die Bilder in CAD-Software. Lokalisieren Sie die Bilder mit kleinen Markierungen. Entwerfen Sie dann die Feinstruktur des Geräts.Strukturieren Sie das Substrat mit Elektronenstrahllithographie, entwickeln und trocknen Sie das Substrat. Um den Elektrodenabscheidungsprozess zu starten, befestigen Sie das gemusterte Substrat auf einem Substrathalter für die Aufdampfabscheidung. Befestigen Sie den Substrathalter an einer Transferstange und evakuieren Sie die Kammer.Setzen Sie dann das Substrat in die Hauptkammer des Verdampfers ein. Beginnen Sie mit dem Drehen des Substrathalters. Evakuieren Sie die Hauptkammer.Öffnen Sie den Verschluss und scheiden Sie fünf Nanometer Chrom als erste Haftschicht ab. Erhöhen Sie dann den Strom auf 30 Ampere. Verdampfen Sie Gold mit geeigneter Abscheidegeschwindigkeit und Dicke.Schließen Sie den Verschluss, um die Ablagerung zu beenden. Reduzieren Sie den Strom langsam auf Null und schalten Sie die Stromquelle aus. Stoppen Sie dann die Drehung des Substrathalters.Lassen Sie das Substrat eine Stunde lang in der Kammer ruhen, um es auf Raumtemperatur abzukühlen, bevor Sie es entfernen. Decken Sie anschließend die Pads und Gate-Elektroden mit Klebeband ab und achten Sie darauf, dass die feinen Strukturen des Geräts freigelegt werden. Eine 20 Nanometer dicke Siliziumdioxidschicht zum Schutz der Elektroden während des Elektrolyt-Gatings abscheiden.Trennen Sie die Geräte nach der Elektrodenabscheidung, indem Sie das Substrat in kleine Stücke schneiden. Tauchen Sie ein Gerät eine Stunde lang bei Raumtemperatur in Aceton, um PMMA- und Goldreste zu entfernen. Waschen Sie dann das Gerät mit Isopropylalkohol und trocknen Sie es mit einer Stickstoffpistole.Befestigen Sie das Gerät auf einem Chipträger mit leitfähiger Silberpaste. Bonden Sie jedes Elektrodenpad mit 25 Mikrometer dicken Golddrähten auf eine Elektrode auf dem Chipträger. Tauchen Sie als Nächstes eine Pinzette in eine Elektrolytlösung.Tragen Sie den Elektrolyten vorsichtig auf die Feinstruktur des Gerätes und des Gate-Pads auf, ohne die Elektrodenpads zu bedecken. Befestigen Sie dann den Chipträger auf dem Probenhalter des Messsystems. Verwenden Sie den Transferstab, um den Probenhalter in das System einzuführen.Evakuieren Sie die Kammer in Hochvakuumbedingungen. Verwenden Sie Messsoftware, um Transportmessungen durchzuführen. Ambipolare Transferkurven wurden sowohl für die Wolframdisulfid-Nanoröhre als auch für die Flockenbauelemente beobachtet.Das ambipolare Verhalten war reversibel und wiederholbar, was darauf hindeutet, dass diese Vorgänge aus elektrostatischer Dotierung resultierten. Der Source-Drain-Strom einer Wolframdisulfid-Nanoröhre wurde in Abhängigkeit von der Gate-Spannung und der Wartezeit untersucht. Das anfängliche Sättigungsverhalten deutete auf eine elektrostatische Dotierung hin.Elektrochemische Dotierung wurde bei höheren Gate-Spannungen beobachtet. Der dramatische Anstieg des Source-Drain-Stroms, wenn die Gate-Spannung mehrere Minuten lang bei acht Volt gehalten wurde, deutete auf eine Interkalation von Kaliumionen in die Wolframdisulfidschichten hin, ohne die Kristallstruktur zu beschädigen. Eine ähnliche Gate-Reaktion wurde für Wolframdisulfid-Flocken-Bauelemente beobachtet.Das Sättigungsverhalten trat auf, als die Gate-Spannung auf sechs Volt erhöht wurde, aber es wurde keine signifikante Änderung der Ladungsträgerdichte beobachtet. Dieses Verhalten war ein Hinweis auf elektrostatische Dotierung. Sowohl der Source-Drain-Strom als auch die Trägerdichte nahmen zu, wenn die Gate-Spannung sechs Volt überstieg, was darauf hindeutet, dass die Interkalation stattgefunden hatte.Nach der elektrochemischen Dotierung zeigten sowohl die Wolframdisulfid-Nanoröhre als auch die Flockenbauelemente Supraleitung bei niedrigen Temperaturen. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher in der Physik der kondensierten Materie und der Materialwissenschaften, um elektrische Phasenübergänge zu erforschen, einschließlich der durch elektrische Felder induzierten Supraleitung und der Strukturphasenübergänge in einer Vielzahl von Materialien. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie ionisches Flüssigkeits-Gating an Feststoffen sowohl für die elektrostatische als auch für die elektrochemische Dotierung verwenden.

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