Controllo campo elettrico degli stati elettronici in nanodispositivi₂ WS di elettrolita Gating

L'obiettivo generale di questa procedura è utilizzare il gating dell'elettrolita per controllare il numero di portanti e ottenere transizioni di fase quantistiche indotte dal campo elettrico nei transistor al disolfuro di tungsteno. Questa tecnica fornisce una potente strategia per ottenere transizioni di fase quantistiche, inclusa la superconduttività indotta dal campo elettrico. Il vantaggio principale di questa tecnica è che un forte campo elettrico può essere generato anche in condizioni di bassa tensione di polarizzazione, inducendo un'ampia densità di portatori mediante drogaggio elettrostatico o elettrochimico.

Per iniziare a preparare la dispersione dei nanotubi, combinare circa 0,8 milligrammi di nanotubi di disolfuro di tungsteno con otto millilitri di alcol isopropilico. Sonicare la miscela per 20 minuti per disperdere la polvere di nanotubi nell'alcol isopropilico. Per evitare di riscaldare la sospensione, farla riposare per un minuto ogni cinque minuti di sonicazione.

Quindi, accendi una centrifuga e la pompa del vuoto collegata. Posizionare un substrato pulito di silicone/biossido di silicio al centro del mandrino a vuoto e fissarlo in posizione. Applicare la sospensione di nanotubi di disolfuro di tungsteno da 0,1 milligrammi per millilitro sul substrato in gocce fino a coprire completamente la superficie del substrato.

Centrifugare il substrato a 4.000 giri/min per 50 secondi. Per iniziare a preparare i fiocchi di bisolfuro di tungsteno, posizionare un piccolo campione di disolfuro di tungsteno sul lato adesivo del nastro adesivo senza silicone. Piega e apri con cura il nastro per esfoliare meccanicamente un sottile strato di disolfuro di tungsteno dalla massa.

Continua a piegare e aprire il nastro fino a quando il campione esfoliato copre il nastro come uno strato sottile. Quindi, applicare delicatamente il nastro sulla faccia del biossido di silicio di un substrato di silicone/biossido di silicio pulito. Applicare una leggera pressione sul nastro per trasferire i fiocchi di bisolfuro di tungsteno sul substrato.

Separare con cura il nastro dal substrato, lasciando la superficie del substrato rivestita con sottili scaglie di bisolfuro di tungsteno. Per iniziare la fabbricazione del dispositivo, posizionare un substrato di silicio/biossido di silicio rivestito con nanotubi di bisolfuro di tungsteno o scaglie sottili al centro di un mandrino a vuoto per spin-coater. Applicare gocce di PMMA sul substrato fino a coprirne la superficie.

Centrifugare il substrato a 4.000 giri/min per 50 secondi per rivestire uniformemente il substrato con PMMA, proteggendo così i nanotubi o i fiocchi di bisolfuro di tungsteno dall'esposizione all'aria. Riscaldare il substrato rivestito in PMMA a 180 gradi Celsius per un minuto. Quindi, posizionare il substrato sul tavolino di un microscopio ottico dotato di fotocamera.

Ispezionare il substrato con un ingrandimento di 20X e identificare da sei a 10 campioni isolati di bisolfuro di tungsteno di dimensioni adeguate. Scattare foto di ogni campione isolato con un ingrandimento di 5X, 20X e 100X. Quindi, apri il software CAD e carica il formato del reticolo del substrato.

Importa le immagini dei campioni e determina le dimensioni e la posizione di ciascuna immagine dai segni sul substrato. Disegna un quadrato di 1.200 micrometri e uno di 300 micrometri attorno a ciascun campione. Progetta modelli su larga scala tra cui cancello, sorgente, scarico e altre piazzole in ogni grande quadrato, escludendo le strutture fini vicino ai campioni.

Aggiungere segni in ogni quadratino per identificare con precisione le posizioni del campione. Quando i pattern sono stati progettati per tutti i campioni, eliminate tutti i pattern e i segni tranne quelli e i segni. Esporta i modelli e i segni come file DXF.

Quindi, posizionare il substrato sul tavolino del campione di uno strumento di litografia a fascio di elettroni. Inserire lo stadio del campione nella camera principale e iniziare l'evacuazione della camera. Converti il file DXF di piccoli segni in un file di celle.

Contrassegnare il file per la litografia a fascio di elettroni e salvare il file nel formato con per lo strumento di litografia a fascio di elettroni. Una volta che la pressione della camera principale è inferiore a cinque volte 10 rispetto ai cinque pascal negativi, aprire il software dello strumento e accendere il cannone elettronico. Modellare il substrato con i piccoli segni.

Quindi, picchiettare il substrato con i disegni più grandi utilizzando lo stesso processo. Al termine della litografia, spegnere il fascio di elettroni e chiudere il software. Sfiatare la camera principale e rimuovere il substrato modellato.

Sviluppare il substrato per immersione in una miscela da uno a tre di metilisobutilchetone e alcol isopropilico per 30 secondi. Lavare il substrato con alcol isopropilico e asciugare il substrato sviluppato con una pistola ad azoto. Scatta un'altra serie di foto di ciascun campione con ingrandimento 5X, 20X e 100X.

Importa le immagini nel software CAD. Individua le immagini con piccoli marcatori progettati. Quindi, progetta la struttura fine del dispositivo.

Modella il substrato con la litografia a fascio di elettroni, sviluppa e asciuga il substrato. Per iniziare il processo di deposizione dell'elettrodo, fissare il substrato modellato su un supporto del substrato di deposizione da vapore. Fissare il supporto del substrato a un'asta di trasferimento ed evacuare la camera.

Quindi, inserire il substrato nella camera principale dell'evaporatore. Iniziare a ruotare il supporto del substrato. Evacuare la camera principale.

Apri l'otturatore e deposita cinque nanometri di cromo come strato di adesione iniziale. Quindi, rampa la corrente a 30 ampere. Evaporare l'oro con velocità di deposizione e spessore adeguati.

Chiudere l'otturatore per terminare la deposizione. Ridurre lentamente la corrente a zero e spegnere la sorgente di corrente. Quindi, arrestare la rotazione del supporto del substrato.

Lasciare riposare il substrato nella camera per un'ora a raffreddare a temperatura ambiente prima di rimuoverlo. Successivamente, coprire i pad e gli elettrodi del gate con del nastro adesivo, avendo cura di esporre le strutture fini del dispositivo. Depositare uno strato di biossido di silicio a 20 nanometri per proteggere gli elettrodi durante il gating dell'elettrolita.

Dopo la deposizione dell'elettrodo, separare i dispositivi tagliando il substrato in piccoli pezzi. Immergere un dispositivo in acetone per un'ora a temperatura ambiente per rimuovere i residui di PMMA e oro. Quindi, lavare il dispositivo con alcol isopropilico e asciugarlo con una pistola ad azoto.

Fissare il dispositivo su un supporto per chip con pasta d'argento conduttiva. Collegare ogni elettrodo a un elettrodo sul supporto del chip con fili d'oro spessi 25 micrometri. Quindi, immergi un paio di pinzette in una soluzione elettrolitica.

Applicare con cura l'elettrolita sulla struttura fine del dispositivo e sul cuscinetto del cancello senza coprire i cuscinetti degli elettrodi. Quindi, fissare il supporto del chip sul supporto del campione del sistema di misura. Utilizzare l'asta di trasferimento per inserire il supporto del campione nel sistema.

Evacuare la camera in condizioni di alto vuoto. Utilizzare il software di misurazione per eseguire misurazioni di trasporto. Sono state osservate curve di trasferimento ambipolari sia per i nanotubi di disolfuro di tungsteno che per i dispositivi in scaglie.

Il comportamento ambipolare era reversibile e ripetibile, suggerendo che queste operazioni derivavano dal drogaggio elettrostatico. La corrente source-drain di un dispositivo a nanotubi di disolfuro di tungsteno è stata esaminata in funzione della tensione di gate e del tempo di attesa. Il comportamento iniziale di saturazione indicava un drogaggio elettrostatico.

Il drogaggio elettrochimico è stato osservato a tensioni di gate più elevate. Il drammatico aumento della corrente source-drain quando la tensione di gate è stata mantenuta a otto volt per diversi minuti ha indicato l'intercalazione di ioni potassio negli strati di bisolfuro di tungsteno senza danneggiare la struttura cristallina. Una risposta di gate simile è stata osservata per i dispositivi in scaglie di disolfuro di tungsteno.

Il comportamento di saturazione si è verificato quando la tensione di gate è stata aumentata a sei volt, ma non è stato osservato alcun cambiamento significativo nella densità della portante. Questo comportamento era indicativo di doping elettrostatico. La corrente source-drain e la densità del portante aumentavano entrambe quando la tensione di gate superava i sei volt, indicando che l'intercalazione era avvenuta.

Dopo il drogaggio elettrochimico, sia il nanotubo di disolfuro di tungsteno che i dispositivi in scaglie hanno mostrato superconduttività a basse temperature. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della fisica della materia condensata e della scienza dei materiali per esplorare le transizioni di fase elettriche, tra cui la superconduttività indotta dal campo elettrico e le transizioni di fase della struttura in una varietà di materiali. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come utilizzare il gating del liquido ionico sui solidi sia per il drogaggio elettrostatico che elettrochimico.