Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Электрическое поле контроля электронных состояний в WS2 наноустройства, электролит стробирования

Published: April 12, 2018 doi: 10.3791/56862
Automatic Translation
1, 1, 2, 3,4, 1, 5, 1, 1,5
1Quantum-Phase Electronics Center (QPEC) and Department of Applied Physics, The University of Tokyo, 2Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 3Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University, 4Max Planck Institute for Solid State Research, 5RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)

Summary

Здесь мы представляем протокол управления номер перевозчика в твердых тел с помощью электролита.

Abstract

Продемонстрировал метод номер контроля перевозчика стробирования электролита. Мы получили WS2 тонкие хлопья с атомарным образом плоскую поверхность через метод скотч или индивидуальные нанотрубки WS2 путем диспергирования подвеска WS2 нанотрубок. Отобранные образцы были сфабрикованы в устройства с помощью Электронная литография и электролит помещается на устройствах. Мы были характерны электронные свойства устройств под применение напряжения ворот. В регионе малые ворота напряжения ионов в электролите накапливаются на поверхности образцов, что приводит к большой электрические потенциальных падение и результирующая электростатического перевозчика допинг на интерфейс. В этом электростатический допинг регионе наблюдается амбиполярной передачи кривой. Когда напряжение затвор еще более возрастает, мы встретили еще резкое увеличение тока источника стока, который подразумевает, что ионы интеркалированного в слои WS2 и электрохимических перевозчик допинг реализуется. В таких электрохимических допинг регионе наблюдается сверхпроводимости. Сфокусированные техника обеспечивает мощная стратегия для достижения электро подала индуцированной Квантовый фазовый переход.

Introduction

Контроль над номер перевозчика является ключевой метод для реализации Квантовый фазовый переход в твердых1. В обычных полевой транзистор (ФЕТ) это достигается путем использования твердых ворота1,2. В таком устройстве электрические потенциальный градиент единым для всей диэлектрических материалов, так что номер индуцированных перевозчика на интерфейс ограничено, показано на Рисунок 1a.

С другой стороны мы можем достичь более высокой плотности несущей на интерфейс или навалом, заменив твердых диэлектрические материалы ионных гели/жидкостей или полимерных электролитов3,4,5,6, 7,8,9,10,11 (рис. 1b). В электростатических допинг использованием ионные жидкости, образуется структура транзистор (EDLT) двойного электрического слоя на стыке между ионные жидкости и образца, создавая сильное электрическое поле (> 0,5 V/Å) даже при низком напряжении смещения. Результирующая высокой несущей плотность (> 1014 см-2) индуцированной на интерфейс10,12,13 причиной Роман электронных свойств или Квантовый фазовый переход такие как электро поле индуцированной Ферромагнетики14, Кулоновская блокада15,, амбиполярной транспорта16,,1718,19,20 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, формирование p-n переход и результирующая electroluminance28,29,30, большая модуляции термоэлектрических полномочия31,32, заряда волны плотности и Мотт переходы33,34,35, и электро поле индуцированной изолятор металл переход36,37 включая сверхпроводимости индуцированного электрического поля9 ,10,11,,3839,40,,4142,43,44 ,45,46,47,48,49.

В электролит стробирования (рис. 1 c), ионы не только накапливаются на интерфейс к форме EDLT, но может быть также интеркалированного в слои двумерных материалов через термодиффузии без повреждения образца под применение напряжения большие ворота, ведущие к электрохимической допинг8,9,11,34,38,50,51,52,53 . Таким образом мы можем кардинально изменить номер перевозчика, по сравнению с обычными полевой транзистор, с помощью сплошной ворота. В частности индуцированного электрического поля сверхпроводимости9,11,34,,3850 реализуется с использованием электролита стробирования в регионе большого перевозчика номер, где мы не может получить доступ обычных твердых стробирования методом.

В этой статье, мы представляем этот уникальный метод номер контроля перевозчика в твердых телах и обзор операции транзистор и индуцированного электрического поля сверхпроводимости в полупроводниковой WS2 образцы как WS2 хлопья и WS2 нанотрубки54,55,56,57.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. дисперсия WS 2 нанотрубок (НТС) на подложке

  1. Разогнать WS2 NT порошков в изопропиловый спирт (IPA, концентрация более 99,8%) с соответствующей разреженных пропорции (около 0,1 мг/мл), sonication за 20 мин.
    Примечание: Долгое время sonication помогает сделать WS2 НТС равномерно взвешенных в жидкости IPA и отдельный корректный индивидуальный WS2 NTs от аморфного WS2 или другие джонки, а также для удаления мусора накапливается на WS2 НТС поверхности. Рисунок 2b показывает окончательное приостановление WS2 НТС. Так как подвеска может быть нагревается во время процесса sonication, это лучше остановить sonication на каждые 5 мин и продолжить sonication через 1 мин.
  2. Спин покрытие процедура для разгона WS2 ночи на подложке.
    1. Запустите машину спин coater и вакуумного насоса. Положите Si/SiO2 (3000 Å) субстрата (1 см x 1 см) в центре Чак и исправить его в вакуум с накачкой скорость 80 Л/мин и Предельное давление 20 кПа.
      Примечание: Есть отверстие, расположенное в центре Чак, подключении к вакуумный насос, установленный субстрат под вакуумным давлением (насосные скорость составляет 80 Л/мин и Предельное давление 20 кПа). Вакуумного давления может быть разным в зависимости от насоса.
    2. Установите соответствующие параметры процедуры группой управления спин coater машины.
      Примечание: Во время процедуры спин покрытие существует три этапа: (1) медленно скорость до 500 об/мин в течение первых 3 s, (2) быстро до 4000 об/мин и продолжаться в течение 50 s, (3) замедлить и остановить спиннинг за последние 3 s. Эти параметры могут быть разными в зависимости от использования спин-нанесения покрытий.
    3. Положить один капли (около 0,01 мл) о приостановлении WS2 NT сделанные пипетки на подложку в (1.1), до тех пор, пока субстрат полностью покрыта подвеска (если нет, положить несколько капель). Затем начало спин покрытие с соответствующими параметрами (1.2.2).

2. Подготовка тонкие хлопья на подложке через метод Скотч

  1. Поместите образец малой насыпной WS2 (выращенных через метод транспортировки химических паров) на скотч. Сложите скотч и разворачиваться его медленно, чтобы механически отслаивается тонким слоем от основной. Повторите эту процедуру несколько раз, до тех пор, пока вспученного образцы достаточно тонкие.
    Примечание: Рисунок 2 g и 2 h показывают исходной ленты с маленькой групповой пробе WS2 и окончательный ленты после нескольких процедур, складной, соответственно.
  2. Вставьте Скотч на верхней части субстрата вниз головой, слегка Прижмите ленту и тщательно удалите ленту из верхней части субстрата.
    Примечание: После удаления ленты, есть много тонкие хлопья слева на подложке.

3. устройство изготовление, Электронная литография.

  1. Спин покрытие процесс для покрытия противостоять Электронная литография.
    1. Следуйте же спин покрытие процедурой, описанной в (1.2.1) и (1.2.2).
    2. Положите один капли (около 0,04 мл) из полиметилметакрилата (PMMA), пипетки на подложку до тех пор, пока субстрат полностью покрыта ПММА. Затем запустите процедуру спин покрытие равномерно Обложка ПММА на WS2 образец, чтобы предотвратить его от экспортирования в воздухе.
      Примечание: PMMA является одним из сопротивляется Электронная литография.
    3. После отжима покрытия поставьте субстрата на горячей плите при 180 ° C и тепло его за 1 мин.
      Примечание: Эти параметры могут отличаться в зависимости от типов сопротивляться.
  2. Пример выбор оптической микроскопии.
    1. Запустите оптической микроскопии и камеры. Поместите основание на сцене.
    2. Переместить стадии и сканировать весь регион субстрата с надлежащей кратностью (20 X) и в то же время, выберите отдельные образцы с подходящим размером.
      Примечание: В общей сложности, 6-10 отдельных образцов обычно выбираются для каждого субстрата 1 см x 1 см.
    3. Возьмите фотографии каждого выбранного образца с различным увеличением 20 X 5 X и 100 X. Эти фотографии используются для определения местоположения каждого образца.
  3. Дизайн шаблона крупномасштабных устройства.
    1. Активация программного обеспечения AutoCAD и загрузить формат подложки решетки. Вставка фотографий, снятых в (3.2) и определить размер и расположение каждой фотографии в зависимости от марки на подложке.
    2. Вставка большого квадрата с длиной 1200 мкм и небольшой квадрат с длиной 300 мкм, который следует окружить каждого образца.
    3. Дизайн крупномасштабных структур, включая ворота, источник, процедить и другие колодки на большой площади, за исключением тонких структур вблизи образца. Дизайн малых знаков недалеко от образца точно определить расположение образцов в более поздних процесс разработки для небольших устройств шаблона.
    4. Повторите (3.3.2) (3.3.3) для каждого образца.
    5. Запишите Координаты центра каждого большого и малого квадрата, соответственно.
    6. Удаление вставленного фотографии, большие и малые квадраты и субстрат решетки формат, оставляя только дизайном больших моделей и малых знаков. Экспорт больших моделей и малых знаков в dxf-файлы, соответственно.
  4. Первая Электронная литография.
    1. Поместите основание на сцене и исправить ее и вставьте сцену в основной камеры машины литография пучка электронов.
    2. Активируйте программу ЭКА (программа для генерации файла, используемого в процессе пучка электронов). Задать размер поля как 300 для литографии малых знаков. Используйте инструмент dxf конвертер для передачи файла dxf файл ячейки.
    3. Загрузить файл ячейки, сгенерирована (3.4.2), введите имя файла, определить происхождение и определить точки с координатами малых квадратов, отметил в (3.3.5). Наконец, определите координаты большого A и B знаков и малых A и B знаки для каждой точки.
      Примечание: Большой A и B знаки используются для устранения направление стадии, при малых A и B знаки используются для выявления несоответствия между дизайном и печатных шаблонов, во время процесса мелких шаблон дизайна.
    4. Сохраните файл как файл кон и подождать до тех пор, пока давление внутри основной камеры меньше чем 5 x 10-5 ПА.
      Примечание: Потому что пучка электронов высокой энергии (50 кв ускоряющего напряжения), необходимо высокое качество вакуума.
    5. Когда давление основной камеры становится низким достаточно для процесса литографии пучка электронов, активировать программу управления пучка электронов ESL-7500 и затем включите электронная пушка.
    6. Включите сканирующего электронного микроскопа (SEM) и переместить сцену в позицию, где субстрат находится на экране. Настройка яркости, контрастности и сосредоточиться.
    7. Отрегулируйте угол сцены, судя из относительное положение большого A и B знаков, спроектированные на подложке, до тех пор, пока ошибка направления незначительно с увеличением 5000 X. После исправления направление стадии, регистрируют положение большого знака.
    8. Значение амплитуды электронного луча для литографии; для малых знаков литографии 100 Па. Перевести в положение для амплитуды тюнинг сцену и выберите место режим для камеры, изменить амплитуда электроннолучевые до тех пор, пока он достигает 100 Па амперметр. После установки амплитуды пучка электронов, Настройка яркости, контрастности и сосредоточиться.
    9. Загрузить сохраненные con файл в (3.4.4) в программе ЭКА. Установите соответствующие параметры: 2 s для времени дозы и 300 для размера поля. Наконец, начните процесс воздействия.
      Примечание: Время доза может быть различным в зависимости от сопротивления.
    10. Обратно к электронно пучка управления программы ESL-7500 установите 5000 X увеличение и переместить стадии зарегистрированных позицию большого знака. Подтвердить позицию большого A и B знаков.
    11. Установите 30000 X увеличение и подтвердить позицию малых A и B знаменует для литографии первых небольших марок в (3.3.3).
      Примечание: Литографии начинается после того, как маленький помечает и принимает несколько второй.
    12. После окончания литографии, повторите эту процедуру для всех образцов. На последнем завершите процесс воздействия и закрыть программу ЭКА.
    13. Выполните такую же процедуру от (3.4.2) к (3.4.10) с различными параметрами для литографии большой шаблон, разработанный в (3.3.3). В (3.4.2) задайте размер поля как 1200. В (3.4.3), только определить координаты большого A и B знаков за исключением небольших A и B знаков. В (3.4.8) установите амплитуда электроннолучевые 1000 ПА для литографии крупным узором. В (3.4.9) выберите 1200 размер поля.
      Примечание: После завершения процесса (3.4.10), литография большой шаблон начинается и занимает несколько часов.
    14. После окончания литографию большого шаблона, переместить сцену в исходное положение, выключить электронный луч и выйти из программы ЭКА и воздействия процесса. Откройте основной камеры и вывезти субстрата.
  5. Первые разработки.
    1. Сделайте раствор изобутил метил кетонов (MIBK) и IPA с соотношением MIBK: IPA = 1:3. Окунуть субстрата в решение для 30 сек и мыть его IPA жидкостью и высушить его пушка азота.
      Примечание: Разработка времени могут изменяться в зависимости от условий окружающей среды, как температура и влажность.
    2. Возьмите фотографии на оптической микроскопии для каждого набивным рисунком с различным увеличением 20 X 5 X и 100 X.
  6. Дизайн шаблона небольших устройств.
    1. Выполните такую же процедуру (3.3). В (3.3.1) загрузить шаблон решетки подложки, включая разработанные небольшие знаки в (3.3.3) и вставить фотографии, сделанные после первого проявления.
      Примечание: Размер и расположение каждой фотографии зависит от малых знаков, разработанный в (3.3.3), вместо знаков на подложке.
    2. Дизайн тонкой структуры шаблон устройства с источником, процедить и другие электроды в квадратики в конфигурации Бар Холл, который подключен к набивным рисунком большой. После разработки небольших моделей для всех устройств, запишите координаты малых квадратов.
    3. Удаление вставленного фотографии, небольшие квадраты и шаблон подложки, оставляя только дизайном небольших моделей. Экспортируйте небольшой шаблон файла dxf.
  7. Вторая Электронная литография.
    1. Выполните такую же процедуру от (3.4.1) к (3.4.11) с теми же параметрами для литографии небольшой шаблон, разработанный в (3.6); Установите 300 для размера поля и выберите 100 Па амплитуды электронного луча.
      Примечание: Литографии процесс занимает несколько минут для каждой небольшой шаблон.
    2. После литографии небольшой шаблон переместить сцену в исходное положение, выключить электронный луч, выйти из процесса воздействия и закрыть программу ЭКА. Откройте основной камеры и вывезти субстрата.
  8. Второй развивающихся.
    1. Выполните такую же процедуру (3.5) с развивающиеся одновременно 30 s.
    2. Возьмите фотографии на оптической микроскопии для каждого шаблона с различным увеличением 20 X 5 X и 100 X.

4. осаждения электродов

  1. Осаждение золота электродов.
    1. Исправить субстрата на субстрат держатель, закрепи субстрата на передачу стержня и вставьте его в основной камеры испарителя. Начало вращения держателя субстрата.
    2. Первый депозит Cr 5 Нм толщиной как адгезионный слой. Когда давление внутри основной камеры становится меньше, чем 10-4 ПА, включите источник высокого напряжения.
    3. Увеличить ток электронная пушка тщательно с фиксированной ускоряющее напряжение 4 кв, до тех пор, пока уровень сдачи измеряется толщина монитор становится стабильным около 0,5 Å/s (обычно предварительно испаряются Cr около 5 Нм).
    4. Откройте затвор и хранение Cr, пока он не достигнет 5 Нм в толщину. Закройте затвор, медленно уменьшить ток электронная пушка до нуля и выключите источник высокого напряжения.
    5. Впоследствии депозит Au соответствующей толщины. Включите источник тока и постепенно увеличить ток до 30 а. испарится АС, сохраняя ток 30 A, до тех пор, пока уровень сдачи измеряется толщина монитор становится стабильным около 1 Å/s (обычно предварительно испаряются Au около 10 Нм).
    6. Откройте затвор и начать хранение Au. После достижения предполагаемой толщины, закройте затвор, медленно уменьшить ток до нуля и выключить текущий источник.
      Примечание: Мы используем 60 Нм для тонких чешуйчатого и 90 Нм для NT. Соответствующей толщины зависящ на образце.
    7. Так как субстрат нагревается во время процесса осаждения, остаются субстрата в камере для 1 h для того, чтобы охладить его температуры практически до комнатной температуры. Остановить вращающийся держатель субстрата и принять его путем передачи стержня.
  2. Осаждения SiO2 защитного слоя.
    1. С помощью оптической микроскопии охватывают колодки и ворота электроды лентой.
      Примечание: В принципе, только тонких структур электродов подвергаются депозит SiO2 слоя для защиты электродов против химической реакции во время стробирования электролита.
    2. Выполните такую же процедуру от (4.1.1) (4.1.4) на хранение Cr 5 Нм толщиной как адгезионный слой.
    3. Впоследствии следовать такой же процесс от (4.1.1) (4.1.4) на хранение SiO2 20 Нм в толщину.
      Примечание: Внесение SiO2 составляет около 1 Å/сек, при этом предварительно испарения SiO2 около 10 Нм.
    4. Охладить субстрат внутри камеры на 1 ч. остановить вращающийся держатель субстрата и принять его путем передачи стержня. Удалите ленту под микроскопии.

5. Завершение устройства

  1. Субстрат скрайбирование.
    1. Включите скрайбирования машины и вакуумный насос с скорость откачивания 50 Л/мин и конечной давлении 30 кПа. Исправьте субстрата на сцене, вакуумные Чак и отрегулировать угол и положение субстрата.
    2. Писец субстрата на мелкие кусочки (обычно около 3 мм x 3 мм).
      Примечание: Размер каждой части в зависимости от местоположения каждого выбранного образца и разработан шаблон.
  2. Устройство старт.
    1. Выберите одно устройство и погрузите его в ацетон (концентрация больше, чем 99,5%), за 1 ч при комнатной температуре для удаления избыточных PMMA и золото. Только сфабрикованной электроды остаются на подложке.
    2. После процесса старт мыть субстрат АПИ и высушить его пушка азота.
  3. Проволока прошивные.
    1. Включите проволока прошивные машины. Исправьте субстрата на чип перевозчика через Щепка пасты.
      Примечание: В случае WS2 NT, мы используем горизонтальных ротатор, показано на рисунке 2n.
    2. С помощью проволока прошивные машины подключение каждого электрода колодки и электродом кристаллодержатель один за другим с золотой проволоки.
  4. Электролит капелька сдачи.
    1. Положите капельку электролита (менее 0,5 мкл) на верхней части устройства, пинцет после погружения в жидкий электролит.
      Примечание: Количество электролита очень мало; Она охватывает тонкой структуры устройства и ворота колодки но избегает покрытия электрода колодки. Мы используем электролит KClO4 (более 99% концентрации) растворяют в полиэтилен гликоль (PEG; М= 600) с [K]: [O] соотношении 1:20 согласно предыдущей публикации38.

6. Транспорт измерения

  1. Fix кристаллодержатель на держателя образца и положил его внутри камеры системы измерения физических свойств путем передачи стержня. Насос камеры в режим высокого вакуума.
  2. Подключение системы измерения, включая замок в усилители, нано вольтметр, источник метр и усилитель. Применить постоянной переменного тока (AC) частотой 13 Гц для выполнения измерения переменного тока замок в.
  3. Запустите программу Keysight VEE (измерение программы).
  4. В измерении ворота ответа, когда напряжение затвор применяется к электролита (т.е., между источником и ворота электродов), развертки напряжение затвор с скоростью 50 мВ/с в 300 K, под high-vacuum состояние, чтобы уменьшить влияние воздуха на шлюзовые производительности.
  5. При измерении температуры зависимость сопротивления сначала охладить до 200 K с скорость охлаждения 1 K/мин в high-vacuum состояние и изменения в состояние он очищенные и держать охлаждения до 10 K с скорость охлаждения 1 K/мин. Когда температура ниже, чем 10 K, охладить и согреться с 0.2 K/мин.
    Примечание: В состояние он очищенные, теплопроводность и результирующей температуры стабильность является лучше, чем те, в high-vacuum состояние.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Типичный транзистор операций отдельных NT2 WS и WS2 чешуйчатого устройств приведены в рисунке 3а и 3Б, соответственно, где источник утечки тока (яDS) как функция ворот напряжения (V G) прекрасно работает в амбиполярной режиме, показывая замечательный контраст в однополярном ворота ответ обычных твердых закрытом фета в предыдущей публикации58. Учитывая, что амбиполярной поведение является обратимым и повторяемости, эти операции транзистор, вероятно, из-за электростатической допинг. В электростатических допинг, ионы скапливаются на поверхности образцов, что приводит к большой электрической потенциальных падение и результирующая перевозчика допинг в интерфейсе (рисунок 1b).

Электрохимический допинг путем интеркаляции (рис. 1 c), с другой стороны, реализуется в регионе напряжения больших ворот, причинение намного выше концентрация электронов в основную часть образца, а не на поверхности образца электростатического допинг. Типичная интеркаляции процесс показан на рис. 3 c. Когда напряжение затвор сначала увеличилось до 8 V с постоянной скоростью 50 МВ/s, яDS отображает поведение насыщения, указанием электростатического допинг, аналогично 2D WS2 случай как показано на рисунке 3b. Когда напряжение затвор хранится в 8 V за пару минут, другой резкое увеличение яDS на более чем двух порядков было отмечено как показано на рис. 3 c. Этот источник сливной нарастание предположительно приписывается интеркаляции ионов K+ , разрядке в WS2 слои не повредив кристаллической структуре. Этот процесс вызывает намного выше концентрация несущей навалом, по сравнению с электростатическим допинг на поверхности.

Как показано на рисунке 3d, аналогичный процесс интеркаляции также реализуется в WS2 хлопьев. Когда напряжение затвор сначала увеличилось до 6 V, яDS отображает подобное поведение насыщения. С другой стороны несущей плотность оценивается эффект Холла существенно не изменяется, показано подобное поведение насыщения. Когда напряжение затвор становится выше, чем 6 V, яDS увеличивается снова из-за возникновения интеркаляции, которая оборудована по явное увеличение плотности несущей.

Температурные зависимости сопротивления WS2 НТС и хлопья после электрохимического допинг показаны на рисунке 3e и 3f, соответственно. В обоих случаях сопротивление показывает металлический поведение и сверхпроводимости появляется в области низких температур.

Figure 1
Рисунок 1 : Иллюстрация электролита стробирования. () схема фигура обычных полевой транзистор твердых ворот. (b) схемы фигура электростатического допинг, электролит стробирования. Путем принимать размещение твердых диэлектрической звена в электролит электростатический эффект допинг является более эффективным, поскольку диэлектрическая жидкость гораздо больше, чем твердые. Большое количество перевозчиков накапливаются на поверхности образца. (c) схема фигура электрохимических допинг, электролит стробирования индуцированной интеркаляции. Положительные ионы интеркалированного в образец, вызывая гораздо больше перевозчиков навалом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2 : Устройство изготовление WS2 нанотрубок и чешуйчатого. (а) и (b) WS2 NT, которая была первой конфигурации порошок, рассредоточены в IPA жидкость. (c) фотография отдельных WS2 NT отобраны оптической микроскопии после рассеивания WS2 NT на подложку и охватываемых ПММА. (d) схема фигура разработан шаблон для NT AutoCAD WS2 . (e фотография шаблон устройства отдельных WS2 NT после процесса литографии пучка электронов и развивающийся процесс. (f фотография устройства отдельных WS2 NT после осаждения электродов. (g) и (h) фотография WS2 массовых проб на ленту и фотография вспученного WS2 образцов после складывания и раскладывания ленты несколько раз. (i фотография WS2 хлопья выбранному оптической микроскопии, после его переноса на подложку и охватываемых ПММА. (j) Схематический рисунок разработан шаблон для WS2 чешуйчатый от AutoCAD. (k фотография шаблон устройства WS2 хлопья после процесса литографии пучка электронов и развивающийся процесс. (l) фотография устройства WS2 чешуйчатого после осаждения электродов. (m фотография изолированные устройства после скрайбирования и старт процесса. Отображается шаблон типичный устройства устройства для стробирования электролита. В дополнение к электроды для измерения транспорта стороне ворот был расположен вблизи образца. (n фотография устройства на горизонтальной ротатор после проволока прошивные процесса. (o фотография устройства после проволока прошивные процесса. (p фотография устройства для электролита стробирования с капли ионные жидкости на вершине, охватывающих образца и электроды ворот сторону. (q фотография типичных измерительных систем (PC и физические свойства системы измерения). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3 : Операция транзистор, интеркаляции электрохимическую и индуцированного электрического поля сверхпроводимости в устройство нанотрубок и чешуйчатого WS2. () амбиполярной передачи кривой WS2 NT на 300 K. источника стока напряжения VDS является 0.2 mV и потрясающим скорость ворот напряжения VG является 50 МВ/s. (b) амбиполярной передачи кривая WS2 хлопья на 300 K. V DS 0,1 V и потрясающим скорость ворот напряжения 20 МВ/s. (c) источника стока текущий яDS как функция VG и время ожидания в течение интеркаляции электрохимическую WS2 NT. Насыщенность поведение, яDS наблюдается при резко возрастает VGи второй, что увеличение, яDS наблюдается на фиксированные VG во время ожидания пара минут. (d) яDS на 300 K (слева) и перевозчика плотность оценкам 200 K (справа) как функцияG Vв WS2 расслаиваться на эффекте Холла. Насыщенность и второе увеличение яDS также наблюдается в расслаиваться. Перевозчик плотность показывает значительное увеличение в обширном регионеG V, указывая интеркаляции процесса. (e) температурная зависимость сопротивления WS2 NT после интеркаляции процесса. В 5,8 K. (f) температурная зависимость сопротивления WS2 хлопья после интеркаляции процесса наблюдается сверхпроводящего перехода. Сверхпроводящего перехода наблюдается в 8 K. Все цифры были воспроизведены и изменены от Цинь, ф и др. и Ши, W. et al. 38 , 50 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

В WS2 НТС и хлопья, мы успешно контролируется электрические свойства электростатический или электро танкер допинг.

В электростатических допинг региона наблюдается амбиполярной транзистор операции. Такие амбиполярной передачи кривой с высоким вкл/выкл соотношение (> 102) наблюдается в низкой смещения напряжения указывает эффективный носитель, допинг на стыке электролита стробирования технику для настройки уровня Ферми этих систем.

Хотя этот метод как выгодные для настройки большое количество номер перевозчика в небольших ворот предвзятости по сравнению с традиционным методом твердого стробирования, существует несколько ограничений этой техники. Во-первых потому, что перевозчик номер элемента управления реализуется через жидкость ворота, это не сможет настроить номер перевозчика ниже замороженных температуры электролита/ионные жидкости12,28,29,30. С другой стороны, обычные твердых ворота, действителен для даже низкой температуры, хотя это не так эффективно, как электролит/ионные жидкости ворота в высокой температуре (около комнатной температуры). Во-вторых многие материалы, как известно, показать химической реакции с электролитом/ионные жидкости в конкретных условиях59,60,61,,6263. Такая химическая реакция легко влезает устройства и ограничивает коэффициент успешных экспериментов или приложения к материалам.

Однако люди недавно признал, что химической реакции может помочь для будущего приложения, например химического травления для прореживания фильмов59,60 и электрохимических интеркаляции для сильно электрона допинг9 ,11,34,38,50,51,52,53 и фазы трансформации61,62 ,63. Подобный метод был также адаптирован для твердых Ион дирижер51,52,53 , и даже фотоактивного EDLT был развитых64.

В регионе электрохимических допинг мы наблюдали сверхпроводимости индуцированного электрического поля. Разница сверхпроводящей температуры перехода WS2 НТС и хлопья, который, возможно, из-за нижней размерность НТС, следует продолжить в будущем.

Как ясно показали в результатах этого исследования число управления перевозчика, ионные жидкости стробирования предоставляет мощный метод для поиска Квантовый фазовый переход в наноматериалов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Мы признаем, что следующие финансовую поддержку; Субсидий для специально поощрять исследования (№ 25000003) от JSP-страницы, субсидий для исследования деятельности пуска (No.15H06133) и сложных исследований (произвольное) (No. JP17K18748) от МПКСНТ Японии.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sonication machine SND Co., Ltd. US-2 http://www.senjyou.jp/
Spin-coater machine ACTIVE Co.,Ltd. ACT-300AII http://www.acti-ve.co.jp/spincoater/standard/act300a2.html
Hot-plate TAIYO HP131224 http://www.taiyo-kabu.co.jp/products/detail.php?product_id=431
Optical Microscopy OLYMPUS BX51 https://www.olympus-ims.com/ja/microscope/bx51p/
Electron Beam Lithography machine ELIONIX INC. ELS-7500I https://www.elionix.co.jp/index.html
Scribing machine TOKYO SEIMITSU CO., LTD. A-WS-100A http://www.accretech.jp/english/product/semicon/wms/aws100s.html
Wire-bonding machine WEST·BOND  7476D-79 https://www.hisol.jp/products/bonder/wire/mgb/b.html
Physical Properties Measurement System Quantum Design PPMS http://www.qdusa.com/products/ppms.html
Lock-in amplifier Stanford Research Systems SRS830 http://www.thinksrs.com/products/SR810830.htm
Source meter 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&region=JP
PEG WAKO 168-09075 http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0116-0907
IPA WAKO 169-28121 http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=169-28121
MIBK WAKO 131-05645 http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0113-0564
PMMA MicroChem PMMA http://microchem.com/Prod-PMMA.htm
Acetone WAKO 012-26821 http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=012-26821

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ahn, C. H., et al. Electrostatic modification of novel materials. Rev. Mod. Phys. 78, 1185-1212 (2006).
  2. Ahn, C. H., Triscone, J. M., Mannhart, J. Electric field effect in correlated oxide systems. Nature. 424, 1015-1018 (2003).
  3. Panzer, M. J., Frisbie, C. D. Polymer Electrolyte Gate Dielectric Reveals Finite Windows of High Conductivity in Organic Thin Film Transistors at High Charge Carrier Densities. J. Am. Chem. Soc. 127, 6960-6961 (2005).
  4. Panzer, M. J., Frisbie, C. D. High charge carrier densities and conductance maxima in single-crystal organic field-effect transistors with a polymer electrolyte gate dielectric. Appl. Phys. Lett. 88, 203504 (2006).
  5. Misra, R., McCarthy, M., Hebard, A. F. Electric field gating with ionic liquids. Appl. Phys. Lett. 90, 052905 (2007).
  6. Ono, S., Seki, S., Hirahara, R., Tominari, Y., Takeya, J. High-mobility, low-power, and fast-switching organic field-effect transistors with ionic liquids. Appl. Phys. Lett. 92, 103313 (2008).
  7. Lee, J., Panzer, M. J., He, Y., Lodge, T. P., Frisbie, C. D. Ion Gel Gated Polymer Thin-Film Transistors. J. Am. Chem. Soc. 129, 4532-4533 (2007).
  8. Fujimoto, T., Awaga, K. Electric-double-layer field-effect transistors with ionic liquids. Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 8983-9006 (2013).
  9. Du, H., Lin, X., Xu, Z., Chu, D. Electric double-layer transistors: a review of recent progress. J. Mater. Sci. 50, 5641-5673 (2015).
  10. Ueno, K., et al. Field-induced superconductivity in electric double layer transistors. J. Phys. Soc. Jpn. 83, 032001 (2014).
  11. Bisri, S. Z., Shimizu, S., Nakano, M., Iwasa, Y. Endeavor of Iontronics: From Fundamentals to Applications of Ion-Controlled Electronics. Adv. Mater. 29, 1607054 (2017).
  12. Yuan, H. T., et al. High-density carrier accumulation in ZnO field-effect transistors gated by electric double layers of ionic liquids. Adv. Funct. Mater. 19, 1046-1053 (2009).
  13. Yuan, H., et al. Zeeman-type spin splitting controlled by an electric field. Nat Phys. 9, 563-569 (2013).
  14. Yamada, Y., et al. Electrically induced ferromagnetism at room temperature in cobalt-doped titanium dioxide. Science. 332, 1065-1067 (2011).
  15. Shibata, K., et al. Large modulation of zero-dimensional electronic states in quantum dots by electric-double-layer gating. Nat Commun. 4, 2664 (2013).
  16. Krüger, M., Buitelaar, M. R., Nussbaumer, T., Schönenbergera, C. Electrochemical carbon nanotube field-effect transistor. Appl. Phys. Lett. 78, 1291 (2001).
  17. Rosenblatt, S., Yaish, Y., Park, J., Gore, J., Sazonova, V., McEuen, P. L. High Performance Electrolyte Gated Carbon Nanotube Transistors. Nano Lett. 2, 869-872 (2002).
  18. Yuan, H. T., et al. Liquid-gated ambipolar transport in ultrathin films of a topological insulator Bi2Te3. Nano Lett. 11, 2601-2605 (2011).
  19. Zhang, Y., Ye, J., Matsuhashi, Y., Iwasa, Y. Ambipolar MoS2 thin flake transistor. Nano Lett. 12, 1136-1140 (2012).
  20. Braga, D., et al. Quantitative determination of the band gap of WS2 with ambipolar ionic liquid-gated transistors. Nano lett. 12, 5218-5223 (2012).
  21. Saito, Y., Iwasa, Y. Ambipolar insulator-to-metal transition in black phosphorus by ionic-liquid gating. ACS Nano. 9, 3192-3198 (2015).
  22. Sugahara, M., et al. Ambipolar transistors based on random networks of WS2 nanotubes. Appl. Phys. Express. 9, 075001 (2016).
  23. Kang, M. S., Lee, J., Norris, D. J., Frisbie, C. D. High Carrier Densities Achieved at Low Voltages in Ambipolar PbSe Nanocrystal Thin-Film Transistors. Nano Lett. 9, 3848-3852 (2009).
  24. Bisri, S. Z., et al. Low Driving Voltage and High Mobility Ambipolar Field-Effect Transistors with PbS Colloidal Nanocrystals. Adv. Mater. 25, 4309-4314 (2013).
  25. Dasgupta, S., et al. Printed and Electrochemically Gated, High-Mobility, Inorganic Oxide Nanoparticle FETs and Their Suitability for High-Frequency Applications. Adv. Funct. Mater. 22, 4909-4919 (2012).
  26. Thiemann, S., Gruber, M., Lokteva, I., Hirschmann, J., Halik, M., Zaumseil, J. High-Mobility ZnO Nanorod Field-Effect Transistors by Self-Alignment and Electrolyte-Gating. Acs Appl Mater Inter. 5, 1656-1662 (2013).
  27. Wong, A. T., et al. Impact of gate geometry on ionic liquid gated ionotronic systems. APL Mater. 5, 042501 (2017).
  28. Zhang, Y. J., Oka, T., Suzuki, R., Ye, J. T., Iwasa, Y. Electrically switchable chiral light-emitting transistor. Science. 344, 725-728 (2014).
  29. Zhang, Y. J., Yoshida, M., Suzuki, R., Iwasa, Y. 2D crystals of transition metal dichalcogenide and their iontronic functionalities. 2D Materials. 2, 044004 (2015).
  30. Onga, M., Zhang, Y. J., Suzuki, R., Iwasa, Y. High circular polarization in electroluminescence from MoSe2. Appl Phys Lett. 108, 073107 (2016).
  31. Yoshida, M., et al. Gate-optimized thermoelectric power factor in ultrathin WSe2 single crystals. Nano Lett. 16, 2061-2065 (2016).
  32. Saito, Y., et al. Gate-tuned thermoelectric power in black phosphorus. Nano Lett. 16, 4819-4824 (2016).
  33. Yoshida, M., et al. Controlling charge-density-wave states in nano-thick crystals of 1T-TaS2. Sci. Rep. 4, 7302 (2014).
  34. Yu, Y., et al. Gate-tunable phase transitions in thin flakes of 1T-TaS2. Nat Nanotechnol. 10, 270-276 (2015).
  35. Nakano, M., et al. Collective bulk carrier delocalization driven by electrostatic surface charge accumulation. Nature. 487, 459-462 (2012).
  36. Shimotani, H., Asanuma, H., Iwasa, Y. Electric Double Layer Transistor of Organic Semiconductor Crystals in a Four-Probe Configuration. Jpn. J. Appl. Phys. 46, 3613 (2007).
  37. Shi, W., et al. Transport Properties of Polymer Semiconductor Controlled by Ionic Liquid as a Gate Dielectric and a Pressure Medium. Adv. Funct. Mater. 24, 2005-2012 (2014).
  38. Shi, W., et al. Superconductivity series in transition metal dichalcogenides by ionic gating. Sci. Rep. 5, 12534 (2015).
  39. Saito, Y., Nojima, T., Iwasa, Y. Gate-induced superconductivity in two-dimensional atomic crystals. Supercond. Sci. Technol. 29, 093001 (2016).
  40. Saito, Y., Nojima, T., Iwasa, Y. Highly crystalline 2D superconductors. Nature Rev. Mater. 2, 16094 (2016).
  41. Ueno, K., et al. Electric-field-induced superconductivity in an insulator. Nat Mater. 7, 855-858 (2008).
  42. Ye, J. T., et al. Liquid-gated interface superconductivity on an atomically flat film. Nat Mater. 9, 125-128 (2010).
  43. Ueno, K., et al. Discovery of superconductivity in KTaO3 by electrostatic carrier doping. Nat Nanotechnol. 6, 408-412 (2011).
  44. Ye, J. T., et al. Superconducting dome in a gate-tuned band insulator. Science. 338, 1193-1196 (2012).
  45. Saito, Y., Kasahara, Y., Ye, J., Iwasa, Y., Nojima, T. Metallic ground state in an ion-gated two-dimensional superconductor. Science. 350, 409-413 (2015).
  46. Saito, Y., et al. Superconductivity protected by spin-valley locking in ion-gated MoS2. Nat Phys. 12, 144-149 (2016).
  47. Costanzo, D., et al. Gate-induced superconductivity in atomically thin MoS2 crystals. Nat Nanotechnol. 11, 339-344 (2016).
  48. Jo, S., Costanzo, D., Berger, H., Morpurgo, A. F. Electrostatically induced superconductivity at the surface of WS2. Nano Lett. 15, 1197-1202 (2015).
  49. Lei, B., et al. Gate-tuned superconductor-insulator transition in (Li,Fe)OHFeSe. Phys. Rev. B. 93, 060501 (2016).
  50. Qin, F., et al. Superconductivity in a chiral nanotube. Nat Commun. 8, 14465 (2017).
  51. Zhao, J., et al. Lithium-ion-based solid electrolyte tuning of the carrier density in graphene. Sci. Rep. 6, 34816 (2016).
  52. Lei, B., et al. Tuning phase transitions in FeSe thin flakes by field-effect transistor with solid ion conductor as the gate dielectric. Phys. Rev. B. 95, 020503 (2017).
  53. Zhu, C. S., et al. Tuning electronic properties of FeSe0.5Te0.5 thin flakes using a solid ion conductor field-effect transistor. Phys. Rev. B. 95, 174513 (2017).
  54. Tenne, R., Margulis, L., Genut, M., Hodes, G. Polyhedral and cylindrical structures of tungsten disulphide. Nature. 360, 444-446 (1992).
  55. Rothschild, A., Sloan, J., Tenne, R. Growth of WS2 nanotubes phases. J. Am. Chem. Soc. 122, 5169-5179 (2000).
  56. Zak, A., et al. Scaling-up of the WS2 nanotubes synthesis. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostruct. 19, 18-26 (2010).
  57. Rao, C. N. R., Nath, M. Inorganic nanotubes. Dalton T. 1, 1-24 (2003).
  58. Levi, R., Bitton, O., Leitus, G., Tenne, R., Joselevich, E. Field-effect transistors based on WS2 nanotubes with high current-carrying capacity. Nano Lett. 13, 3736-3741 (2013).
  59. Shiogai, J., et al. Electric-field-induced superconductivity in electrochemically etched ultrathin FeSe films on SrTiO3 and MgO. Nat Phys. 12, 42-46 (2016).
  60. Shiogai, J., et al. Unified trend of superconducting transition temperature versus Hall coefficient for ultrathin FeSe films prepared on different oxide substrates. Phys. Rev. B. 95, 115101 (2017).
  61. Jeong, J., et al. Suppression of Metal-Insulator Transition in VO2 by Electric Field-Induced Oxygen Vacancy Formation. Science. 339, 1402-1405 (2013).
  62. Schladt, T. D., et al. Crystal-Facet-Dependent Metallization in Electrolyte-Gated Rutile TiO2 Single Crystals. ACS Nano. 7, 8074-8081 (2013).
  63. Lu, N., et al. Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch. Nature. 546, 124-128 (2017).
  64. Suda, M., Kato, R., Yamamoto, H. M. Light-induced superconductivity using a photoactive electric double layer. Science. 347, 743-746 (2015).

Tags

Инжиниринг выпуск 134 электролит стробирования Электрический двойной слой транзистор интеркаляции сверхпроводимости переход металла dichalcogenides TMDs дисульфид вольфрама WS2 нанотрубки
Электрическое поле контроля электронных состояний в WS<sub>2</sub> наноустройства, электролит стробирования
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Qin, F., Ideue, T., Shi, W., Zhang,… More

Qin, F., Ideue, T., Shi, W., Zhang, Y., Suzuki, R., Yoshida, M., Saito, Y., Iwasa, Y. Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating. J. Vis. Exp. (134), e56862, doi:10.3791/56862 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter