전기 필드 컨트롤의 전해질 게이팅 하 여 WS₂ 나노 전자 상태

이 절차의 전반적인 목표는 전해질 게이팅을 사용하여 캐리어 수를 제어하고 이황화 텅스텐 트랜지스터에서 전기장 유도 양자 위상 전이를 달성하는 것입니다. 이 기술은 전기장 유도 초전도를 포함한 양자 위상 전이를 달성하기 위한 강력한 전략을 제공합니다. 이 기술의 주요 장점은 낮은 바이어스 전압에서도 강한 전기장이 생성될 수 있어 정전기 또는 전기화학적 도핑에 의해 큰 캐리어 밀도를 유도할 수 있다는 것입니다.

나노 튜브 분산액을 준비하려면 약 0.8 밀리그램의 이황화 텅스텐 나노 튜브와 8 밀리리터의 이소 프로필 알코올을 결합하십시오. 혼합물을 20 분 동안 초음파 처리하여 이소 프로필 알코올에 나노 튜브 분말을 분산시킵니다. 서스펜션이 가열되는 것을 방지하려면 초음파 처리 5분마다 1분 동안 휴식을 취하십시오.

그런 다음 스핀 코터와 부착된 진공 펌프를 켭니다. 깨끗한 실리콘/이산화규소 기판을 진공 척 중앙에 놓고 제자리에 고정합니다. 0.1 밀리리터 텅스텐 이황화 나노 튜브 현탁액을 기판 표면이 완전히 덮일 때까지 기판에 방울로 적용합니다.

4, 000rpm에서 50초 동안 기판을 스핀 코팅합니다. 이황화 텅스텐 플레이크를 준비하기 시작하려면 이황화 텅스텐의 소량 샘플을 실리콘이 없는 접착 테이프의 접착 면에 놓습니다. 테이프를 조심스럽게 접었다 펴서 벌크에서 이황화 텅스텐의 얇은 층을 기계적으로 각질 제거합니다.

각질 제거 샘플이 테이프를 얇은 층으로 덮을 때까지 테이프를 계속 접고 풉니다. 그런 다음 깨끗한 이산화규소/이산화규소 기판의 이산화규소 면에 테이프를 부드럽게 붙입니다. 이황화 텅스텐 플레이크를 기판으로 전달하기 위해 테이프에 가벼운 압력을 가합니다.

기판에서 테이프를 조심스럽게 분리하여 기판 표면을 얇은 이황화 텅스텐 플레이크로 코팅합니다. 장치 제조를 시작하려면 이황화 텅스텐 나노튜브 또는 얇은 플레이크로 코팅된 실리콘/이산화규소 기판을 스핀 코터 진공 척의 중앙에 놓습니다. 표면이 덮일 때까지 기판에 PMMA 방울을 바르십시오.

4, 000rpm에서 50초 동안 기판을 스핀 코팅하여 기판을 PMMA로 균일하게 코팅하여 이황화 텅스텐 나노튜브 또는 플레이크가 공기에 노출되지 않도록 보호합니다. PMMA 코팅 기판을 섭씨 180도에서 1분 동안 가열합니다. 다음으로, 카메라가 장착된 광학 현미경의 스테이지에 기판을 놓습니다.

20X 배율로 기판을 검사하고 적절한 크기의 6-10개의 분리된 이황화 텅스텐 샘플을 식별합니다. 5X, 20X 및 100X 배율로 분리된 각 샘플의 사진을 촬영합니다. 그런 다음 CAD 소프트웨어를 열고 기판 격자 형식을 로드합니다.

샘플의 사진을 가져오고 기판의 표시에서 각 사진의 크기와 위치를 결정합니다. 각 샘플 주위에 1, 200마이크로미터 정사각형 및 300마이크로미터 정사각형을 그립니다. 각 큰 사각형에 게이트, 소스, 드레인 및 기타 패드를 포함한 대규모 패턴을 설계하고 샘플 근처의 미세 구조를 제외합니다.

샘플 위치를 정확하게 식별할 수 있도록 각 작은 사각형에 표시를 추가합니다. 모든 샘플에 대해 패턴을 디자인한 경우 패턴과 마크를 제외한 모든 것을 삭제합니다. 패턴과 마크를 DXF 파일로 내보냅니다.

다음으로, 기판을 전자빔 리소그래피 기기의 샘플 스테이지에 놓습니다. 샘플 스테이지를 메인 챔버에 삽입하고 챔버 비우기를 시작합니다. 작은 마크의 DXF 파일을 셀 파일로 변환합니다.

파일을 전자빔 리소그래피용으로 표시하고 전자빔 리소그래피 기기용 con 형식으로 파일을 저장합니다. 메인 챔버 압력이 음의 5파스칼에서 10의 5배 미만이 되면 기기 소프트웨어를 열고 전자총을 켭니다. 작은 표시로 기판을 패턴화하십시오.

그런 다음 동일한 프로세스를 사용하여 더 큰 디자인의 기판을 두드리십시오. 리소그래피가 완료되면 전자빔을 끄고 소프트웨어를 종료합니다. 메인 챔버를 환기시키고 패턴이 있는 기판을 제거합니다.

메틸 이소부틸 케톤과 이소프로필 알코올의 1:3 혼합물에 30초 동안 담궈 기판을 현상합니다. 이소 프로필 알코올로 기판을 세척하고 현상 된 기판을 질소 건으로 건조시킵니다. 5X, 20X 및 100X 배율로 각 샘플의 다른 사진 세트를 촬영합니다.

이미지를 CAD 소프트웨어로 가져옵니다. 디자인된 작은 마커로 이미지를 찾습니다. 그런 다음 장치의 미세한 구조를 설계합니다.

전자빔 리소그래피로 기판을 패턴화하고 기판을 현상하고 건조시킵니다. 전극 증착 공정을 시작하려면 패턴화된 기판을 증기 증착 기판 홀더에 고정하십시오. 기판 홀더를 전사 로드에 부착하고 챔버를 비웁니다.

그런 다음 기판을 증발기의 메인 챔버에 삽입하십시오. 기판 홀더를 회전시키기 시작합니다. 메인 챔버에서 대피하십시오.

셔터를 열고 5나노미터의 크롬을 초기 접착층으로 증착합니다. 그런 다음 전류를 30암페어로 높입니다. 적절한 증착 속도와 두께로 금을 증발시킵니다.

셔터를 닫아 증착을 종료합니다. 전류를 천천히 0으로 줄이고 전류 소스를 끕니다. 그런 다음 기판 홀더 회전을 중지합니다.

기판을 제거하기 전에 실온으로 냉각시키기 위해 1시간 동안 챔버에 두십시오. 다음으로, 패드와 게이트 전극을 테이프로 덮고 장치의 미세한 구조가 노출되도록주의하십시오. 전해질 게이팅 중에 전극을 보호하기 위해 20나노미터 이산화규소 층을 증착합니다.

전극 증착 후 기판을 작은 조각으로 깍둑썰기하여 장치를 분리합니다. 장치 하나를 실온에서 1시간 동안 아세톤에 담가 잔류 PMMA와 금을 제거합니다. 그런 다음 이소 프로필 알코올로 장치를 세척하고 질소 건으로 건조시킵니다.

전도성 은 페이스트로 칩 캐리어에 장치를 고정합니다. 각 전극 패드를 25마이크로미터 두께의 금선으로 칩 캐리어의 전극에 와이어 본딩합니다. 다음으로, 핀셋을 전해질 용액에 담그십시오.

전극 패드를 덮지 않고 장치의 미세한 구조와 게이트 패드에 전해질을 조심스럽게 도포하십시오. 그런 다음 측정 시스템 샘플 홀더에 칩 캐리어를 고정합니다. 전송 로드를 사용하여 샘플 홀더를 시스템에 삽입합니다.

챔버를 고진공 상태로 비우십시오. 측정 소프트웨어를 사용하여 운송 측정을 수행합니다. 양극성 전달 곡선은 이황화 텅스텐 나노튜브와 플레이크 장치 모두에 대해 관찰되었습니다.

양극 거동은 가역적이고 반복 가능했으며, 이는 이러한 작업이 정전기 도핑의 결과임을 시사합니다. 이황화 텅스텐 나노 튜브 장치의 소스 드레인 전류는 게이트 전압과 대기 시간의 함수로 조사되었습니다. 초기 포화 거동은 정전기 도핑을 나타냈습니다.

전기화학적 도핑은 더 높은 게이트 전압에서 관찰되었습니다. 게이트 전압이 몇 분 동안 8 볼트로 유지되었을 때 소스 드레인 전류의 급격한 증가는 결정 구조를 손상시키지 않고 이황화 텅스텐 층에 칼륨 이온이 삽입되었음을 나타냅니다. 이황화 텅스텐 플레이크 장치에 대해 유사한 게이트 반응이 관찰되었습니다.

게이트 전압이 6V로 증가함에 따라 포화 동작이 발생했지만 캐리어 밀도의 큰 변화는 관찰되지 않았습니다. 이 동작은 정전기 도핑을 나타냅니다. 소스-드레인 전류와 캐리어 밀도는 게이트 전압이 6볼트를 초과할 때 모두 증가했으며, 이는 삽입이 발생했음을 나타냅니다.

전기 화학적 도핑 후, 이황화 텅스텐 나노 튜브와 플레이크 장치는 모두 저온에서 초전도성을 나타냈다. 개발 후 이 기술은 응집 물질 물리학 및 재료 과학 분야의 연구자들이 전기장 유도 초전도 및 다양한 재료의 구조 상전이를 포함한 전기 상 전이를 탐구할 수 있는 길을 열었습니다. 이 비디오를 시청한 후에는 정전기 및 전기화학적 도핑을 위해 고체에 이온 액체 게이팅을 사용하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.