Contrôle de champ électrique des États électroniques dans WS₂ nanodispositifs par électrolyte Gate

L’objectif global de cette procédure est d’utiliser le déclenchement d’électrolyte pour contrôler le nombre de porteurs et réaliser des transitions de phase quantiques induites par le champ électrique dans des transistors en disulfure de tungstène. Cette technique fournit une stratégie puissante pour réaliser des transitions de phase quantiques, y compris la supraconductivité induite par le champ électrique. Le principal avantage de cette technique est qu’un champ électrique puissant peut être généré même sous une faible tension de polarisation, induisant une grande densité de porteurs par dopage électrostatique ou électrochimique.

Pour commencer à préparer la dispersion des nanotubes, combinez environ 0,8 milligramme de nanotubes de disulfure de tungstène avec huit millilitres d’alcool isopropylique. Sonicez le mélange pendant 20 minutes pour disperser la poudre de nanotubes dans l’alcool isopropylique. Pour éviter de chauffer la suspension, posez-la pendant une minute toutes les cinq minutes de sonication.

Ensuite, allumez une essoreuse et sa pompe à vide attenante. Placez un substrat de silicium/dioxyde de silicium propre au centre du mandrin d’aspiration et fixez-le en place. Appliquez la suspension de nanotubes de disulfure de tungstène de 0,1 milligramme par millilitre sur le substrat en gouttes jusqu’à ce que la surface du substrat soit complètement recouverte.

Essorez le substrat à 4 000 tr/min pendant 50 secondes. Pour commencer à préparer les flocons de disulfure de tungstène, placez un petit échantillon en vrac de disulfure de tungstène sur le côté adhésif du ruban adhésif sans silicone. Pliez et dépliez soigneusement le ruban pour exfolier mécaniquement une fine couche de disulfure de tungstène en vrac.

Continuez à plier et à déplier le ruban jusqu’à ce que l’échantillon exfolié recouvre le ruban en une fine couche. Ensuite, appliquez doucement le ruban sur la face en dioxyde de silicium d’un substrat de silicium/dioxyde de silicium propre. Appliquez une légère pression sur le ruban pour transférer les flocons de disulfure de tungstène sur le substrat.

Séparez soigneusement le ruban du substrat, en laissant la surface du substrat recouverte de fines paillettes de disulfure de tungstène. Pour commencer la fabrication du dispositif, placez un substrat de silicium/dioxyde de silicium recouvert de nanotubes de disulfure de tungstène ou de flocons minces au centre d’un mandrin à vide de spin-coater. Appliquez des gouttes de PMMA sur le substrat jusqu’à ce que sa surface soit couverte.

Appliquez une couche de centriférage sur le substrat à 4 000 tr/min pendant 50 secondes pour enrober uniformément le substrat de PMMA, protégeant ainsi les nanotubes ou les flocons de disulfure de tungstène de l’exposition à l’air. Chauffez le substrat recouvert de PMMA à 180 degrés Celsius pendant une minute. Ensuite, placez le substrat sur la platine d’un microscope optique équipé d’une caméra.

Inspectez le substrat à un grossissement de 20X et identifiez six à 10 échantillons isolés de disulfure de tungstène de taille appropriée. Prenez des photos de chaque échantillon isolé à un grossissement de 5X, 20X et 100X. Ensuite, ouvrez le logiciel de CAO et chargez le format de treillis de substrat

Importez les images des échantillons et déterminez la taille et l’emplacement de chaque image à partir des marques sur le substrat. Dessinez un carré de 1 200 micromètres et un carré de 300 micromètres autour de chaque échantillon. Concevez des modèles à grande échelle, y compris une porte, une source, un drain et d’autres coussinets dans chaque grand carré, à l’exclusion des structures fines à proximité des échantillons.

Ajoutez des marques dans chaque petit carré pour une identification précise des emplacements des échantillons. Lorsque les motifs ont été conçus pour tous les échantillons, supprimez tous les motifs et les marques, à l’exception des motifs et des marques. Exportez les motifs et les marques sous forme de fichiers DXF.

Ensuite, placez le substrat sur la platine d’échantillonnage d’un instrument de lithographie par faisceau d’électrons. Insérez l’étage d’échantillonnage dans la chambre principale et commencez à évacuer la chambre. Convertissez le fichier DXF des petites marques en fichier de cellule.

Marquez le fichier pour la lithographie par faisceau d’électrons et enregistrez-le dans le format con pour l’instrument de lithographie par faisceau d’électrons. Une fois que la pression de la chambre principale est inférieure à cinq fois 10 à moins cinq pascals, ouvrez le logiciel de l’instrument et allumez le canon à électrons. Tracez le substrat avec les petites marques.

Ensuite, galetez le substrat avec les motifs plus grands en utilisant le même processus. Une fois la lithographie terminée, éteignez le faisceau d’électrons et quittez le logiciel. Aérez la chambre principale et retirez le substrat à motifs.

Développez le substrat en l’immergeant dans un mélange un à trois de méthylisobutylcétone et d’alcool isopropylique pendant 30 secondes. Lavez le substrat avec de l’alcool isopropylique et séchez le substrat développé avec un pistolet à azote. Prenez une autre série de photos de chaque échantillon à des grossissements de 5X, 20X et 100X.

Importez les images dans un logiciel de CAO. Localisez les images à l’aide de petits marqueurs conçus. Ensuite, concevez la structure fine de l’appareil.

Modélisez le substrat avec la lithographie par faisceau d’électrons, développez et séchez le substrat. Pour commencer le processus de dépôt d’électrode, fixez le substrat à motifs sur un support de substrat de dépôt en phase vapeur. Fixez le support de substrat à une tige de transfert et évacuez la chambre.

Ensuite, insérez le substrat dans la chambre principale de l’évaporateur. Commencez à faire pivoter le support de substrat. Évacuez la chambre principale.

Ouvrez l’obturateur et déposez cinq nanomètres de chrome comme couche d’adhérence initiale. Ensuite, augmentez le courant à 30 ampères. Évaporez l’or avec un taux de dépôt et une épaisseur appropriés.

Fermez l’obturateur pour terminer la déposition. Réduisez lentement le courant à zéro et éteignez la source de courant. Ensuite, arrêtez la rotation du support de support.

Laissez le substrat reposer dans la chambre pendant une heure pour qu’il refroidisse à température ambiante avant de le retirer. Ensuite, couvrez les pastilles et les électrodes de grille avec du ruban adhésif, en prenant soin d’exposer les structures fines de l’appareil. Déposez une couche de dioxyde de silicium de 20 nanomètres pour protéger les électrodes lors du déclenchement de l’électrolyte.

Après le dépôt de l’électrode, séparez les dispositifs en coupant le substrat en petits morceaux. Plongez un appareil dans de l’acétone pendant une heure à température ambiante pour éliminer les résidus de PMMA et d’or. Ensuite, lavez l’appareil avec de l’alcool isopropylique et séchez-le avec un pistolet à azote.

Fixez l’appareil sur un support de puce avec de la pâte d’argent conductrice. Reliez chaque électrode à une électrode sur le support de puce avec des fils dorés de 25 micromètres d’épaisseur. Ensuite, trempez une pince à épiler dans une solution d’électrolyte.

Appliquez soigneusement l’électrolyte sur la structure fine de l’appareil et sur le tampon de grille sans couvrir les tampons d’électrode. Ensuite, fixez le support de puce sur le porte-échantillon du système de mesure. Utilisez la tige de transfert pour insérer le porte-échantillon dans le système.

Évacuez la chambre dans des conditions de vide poussé. Utiliser un logiciel de mesure pour effectuer des mesures de transport. Des courbes de transfert ambipolaires ont été observées pour les dispositifs à nanotubes et à flocons de disulfure de tungstène.

Le comportement ambipolaire était réversible et reproductible, suggérant que ces opérations résultaient d’un dopage électrostatique. Le courant de drain de source d’un dispositif à nanotubes de disulfure de tungstène a été examiné en fonction de la tension de grille et du temps d’attente. Le comportement initial de saturation indiquait un dopage électrostatique.

Un dopage électrochimique a été observé à des tensions de grille plus élevées. L’augmentation spectaculaire du courant de drain de source lorsque la tension de grille a été maintenue à huit volts pendant plusieurs minutes a indiqué l’intercalation des ions potassium dans les couches de disulfure de tungstène sans endommager la structure cristalline. Une réponse de grille similaire a été observée pour les dispositifs à flocons de disulfure de tungstène.

Le comportement de saturation s’est produit lorsque la tension de grille a été augmentée à six volts, mais aucun changement significatif de la densité de porteuse n’a été observé. Ce comportement était révélateur d’un dopage électrostatique. Le courant source-drain et la densité porteuse ont tous deux augmenté lorsque la tension de grille dépassait six volts, indiquant que l’intercalation s’était produite.

Après le dopage électrochimique, les dispositifs à nanotubes de disulfure de tungstène et aux éclats ont montré une supraconductivité à basse température. Après son développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs en physique de la matière condensée et en science des matériaux pour explorer les transitions de phase électriques, y compris la supraconductivité induite par le champ électrique et les transitions de phase de structure dans une variété de matériaux. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’utiliser le contrôle de liquide ionique sur les solides pour le dopage électrostatique et électrochimique.