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

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.