Campo eléctrico Control de Estados electrónicos en WS₂ nanodispositivos de electrolito que bloquean

El objetivo general de este procedimiento es utilizar la compuerta de electrolito para controlar el número de portadores y lograr transiciones de fase cuánticas inducidas por campos eléctricos en transistores de disulfuro de tungsteno. Esta técnica proporciona una poderosa estrategia para lograr transiciones de fase cuánticas, incluida la superconductividad inducida por campos eléctricos. La principal ventaja de esta técnica es que se puede generar un fuerte campo eléctrico incluso bajo un voltaje de polarización bajo, induciendo una gran densidad de portadores por dopaje electrostático o electroquímico.

Para comenzar a preparar la dispersión de nanotubos, combine aproximadamente 0,8 miligramos de nanotubos de disulfuro de tungsteno con ocho mililitros de alcohol isopropílico. Sonicar la mezcla durante 20 minutos para dispersar el polvo de nanotubos en el alcohol isopropílico. Para evitar calentar la suspensión, déjela reposar un minuto después de cada cinco minutos de sonicación.

A continuación, encienda un spin-coater y su bomba de vacío adjunta. Coloque un sustrato limpio de silicona/dióxido de silicio en el centro del mandril de la aspiradora y fíjelo en su lugar. Aplique la suspensión de nanotubos de disulfuro de tungsteno de 0,1 miligramos por mililitro al sustrato en gotas hasta que la superficie del sustrato esté completamente cubierta.

Centrifugar el sustrato a 4.000 rpm durante 50 segundos. Para comenzar a preparar las escamas de disulfuro de tungsteno, coloque una pequeña muestra a granel de disulfuro de tungsteno en el lado adhesivo de la cinta adhesiva sin silicona. Dobla y despliega con cuidado la cinta para exfoliar mecánicamente una fina capa de disulfuro de tungsteno del bulto.

Continúe doblando y desplegando la cinta hasta que la muestra exfoliada cubra la cinta como una capa delgada. A continuación, aplique suavemente la cinta sobre la cara de dióxido de silicio de un sustrato limpio de silicio/dióxido de silicio. Aplique una ligera presión a la cinta para transferir las escamas de disulfuro de tungsteno al sustrato.

Separe con cuidado la cinta del sustrato, dejando la superficie del sustrato cubierta con finas escamas de disulfuro de tungsteno. Para comenzar la fabricación del dispositivo, coloque un sustrato de silicio/dióxido de silicio recubierto con nanotubos de disulfuro de tungsteno o escamas delgadas en el centro de un mandril de vacío de recubrimiento giratorio. Aplique gotas de PMMA sobre el sustrato hasta cubrir su superficie.

Centrifugar el sustrato a 4.000 rpm durante 50 segundos para recubrir uniformemente el sustrato con PMMA, protegiendo así los nanotubos o escamas de disulfuro de tungsteno de la exposición al aire. Caliente el sustrato recubierto de PMMA a 180 grados centígrados durante un minuto. A continuación, coloque el sustrato en la platina de un microscopio óptico equipado con una cámara.

Inspeccione el sustrato con un aumento de 20X e identifique de seis a 10 muestras aisladas de disulfuro de tungsteno de tamaño adecuado. Tome fotografías de cada muestra aislada con aumentos de 5X, 20X y 100X. A continuación, abra el software CAD y cargue el formato de celosía del sustrato.

Importe las imágenes de las muestras y determine el tamaño y la ubicación de cada imagen a partir de las marcas en el sustrato. Dibuja un cuadrado de 1.200 micrómetros y un cuadrado de 300 micrómetros alrededor de cada muestra. Diseñe patrones a gran escala, incluyendo compuertas, fuentes, desagües y otras almohadillas en cada cuadrado grande, excluyendo las estructuras finas cerca de las muestras.

Agregue marcas en cada cuadrado pequeño para una identificación precisa de las ubicaciones de las muestras. Cuando se hayan diseñado patrones para todas las muestras, elimine todas excepto las muestras y las marcas. Exporte los patrones y marcas como archivos DXF.

A continuación, coloque el sustrato en la etapa de muestra de un instrumento de litografía por haz de electrones. Inserte la etapa de muestra en la cámara principal y comience a evacuar la cámara. Convierta el archivo DXF de marcas pequeñas en un archivo de celda.

Marque el archivo para litografía por haz de electrones y guarde el archivo en el formato con para el instrumento de litografía por haz de electrones. Una vez que la presión de la cámara principal esté por debajo de cinco veces 10 elevado a los cinco pascales negativos, abra el software del instrumento y encienda el cañón de electrones. Modela el sustrato con las marcas pequeñas.

Luego, palmea el sustrato con los diseños más grandes usando el mismo proceso. Cuando se complete la litografía, apague el haz de electrones y salga del software. Ventile la cámara principal y retire el sustrato estampado.

Revele el sustrato por inmersión en una mezcla de uno a tres de metil isobutil cetona y alcohol isopropílico durante 30 segundos. Lave el sustrato con alcohol isopropílico y seque el sustrato desarrollado con una pistola de nitrógeno. Tome otro conjunto de fotografías de cada muestra con aumentos de 5X, 20X y 100X.

Importe las imágenes en el software CAD. Localice las imágenes mediante pequeños marcadores diseñados. Luego, diseñe la estructura fina del dispositivo.

Modele el sustrato con litografía de haz de electrones, revele y seque el sustrato. Para comenzar el proceso de deposición de electrodos, fije el sustrato estampado en un soporte de sustrato de deposición de vapor. Fije el soporte de sustrato a una varilla de transferencia y evacúe la cámara.

Luego, inserte el sustrato en la cámara principal del evaporador. Comience a girar el soporte de sustrato. Evacue la cámara principal.

Abra el obturador y deposite cinco nanómetros de cromo como capa de adhesión inicial. Luego, aumente la corriente a 30 amperios. Evapore el oro con una tasa de deposición y un espesor adecuados.

Cierre el obturador para finalizar la deposición. Reduzca lentamente la corriente a cero y apague la fuente de corriente. A continuación, detenga la rotación del soporte del sustrato.

Deje que el sustrato descanse en la cámara durante una hora para que se enfríe a temperatura ambiente antes de retirarlo. A continuación, cubra las almohadillas y los electrodos de puerta con cinta adhesiva, teniendo cuidado de exponer las estructuras finas del dispositivo. Deposite una capa de dióxido de silicio de 20 nanómetros para proteger los electrodos durante la activación del electrolito.

Después de la deposición del electrodo, separe los dispositivos cortando el sustrato en trozos pequeños. Sumerja un dispositivo en acetona durante una hora a temperatura ambiente para eliminar los residuos de PMMA y oro. Luego, lave el dispositivo con alcohol isopropílico y séquelo con una pistola de nitrógeno.

Fije el dispositivo en un soporte de chips con pasta de plata conductora. Conecte cada almohadilla de electrodo a un electrodo en el portador de chips con alambres de oro de 25 micrómetros de grosor. A continuación, sumerja un par de pinzas en una solución de electrolitos.

Aplique con cuidado el electrolito a la estructura fina del dispositivo y a la almohadilla de la puerta sin cubrir las almohadillas de electrodos. A continuación, fije el portador de virutas en el portamuestras del sistema de medición. Utilice la varilla de transferencia para insertar el portamuestras en el sistema.

Evacúe la cámara a condiciones de alto vacío. Utilice software de medición para realizar mediciones de transporte. Se observaron curvas de transferencia ambipolares tanto para el nanotubo de disulfuro de tungsteno como para los dispositivos de escamas.

El comportamiento ambipolar fue reversible y repetible, lo que sugiere que estas operaciones fueron el resultado del dopaje electrostático. Se examinó la corriente de drenaje de la fuente de un dispositivo de nanotubos de disulfuro de tungsteno en función del voltaje de la puerta y el tiempo de espera. El comportamiento inicial de la saturación indicó dopaje electrostático.

Se observó dopaje electroquímico a voltajes de puerta más altos. El aumento dramático en la corriente de drenaje de la fuente cuando el voltaje de la puerta se mantuvo a ocho voltios durante varios minutos indicó la intercalación de iones de potasio en las capas de disulfuro de tungsteno sin dañar la estructura cristalina. Se observó una respuesta de compuerta similar para los dispositivos de escamas de disulfuro de tungsteno.

El comportamiento de saturación ocurrió cuando el voltaje de la puerta se incrementó a seis voltios, pero no se observó ningún cambio significativo en la densidad de portadores. Este comportamiento era indicativo de dopaje electrostático. La corriente de drenaje de la fuente y la densidad del portador aumentaron cuando el voltaje de la puerta excedió los seis voltios, lo que indica que se había producido la intercalación.

Después del dopaje electroquímico, tanto el nanotubo de disulfuro de tungsteno como los dispositivos de escamas mostraron superconductividad a bajas temperaturas. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en física de la materia condensada y ciencia de los materiales exploraran las transiciones de fase eléctricas, incluida la superconductividad inducida por el campo eléctrico y las transiciones de fase de la estructura en una variedad de materiales. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo usar la compuerta de líquido iónico en sólidos para el dopaje electrostático y electroquímico.