Artykuł metodologiczny

Sterowanie polem elektrycznym stanów elektronowych w nanourządzeniach WS2 za pomocą bramkowania elektrolitu

10.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56862

⸱

12 kwietnia 2018

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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)

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół do kontrolowania liczby nośników w ciałach stałych za pomocą elektrolitu.

Streszczenie

Pokazano metodę kontroli liczby nośników za pomocą bramkowania elektrolitu. Otrzymaliśmy cienkie płatki WS2 o atomowo płaskiej powierzchni metodą taśmy klejącej lub pojedyncze nanorurki WS2 poprzez dyspersję zawiesiny nanorurek WS2. Wybrane próbki zostały wytworzone w urządzeniach za pomocą litografii wiązką elektronów, a na urządzenia nanoszony jest elektrolit. Scharakteryzowaliśmy właściwości elektroniczne urządzeń pod wpływem napięcia bramki. W obszarze małego napięcia bramki jony w elektrolicie gromadzą się na powierzchni próbek, co prowadzi do dużego spadku potencjału elektrycznego i wynikającego z tego domieszkowania nośnika elektrostatycznego na granicy faz. W tym elektrostatycznym obszarze domieszkowania zaobserwowano ambipolarną krzywą przenoszenia. Gdy napięcie bramki jest dalej zwiększane, spotykamy się z kolejnym drastycznym wzrostem prądu źródło-dren, co oznacza, że jony są interkalowane w warstwy WS2 i dochodzi do domieszkowania nośników elektrochemicznych. W takim obszarze domieszkowania elektrochemicznego zaobserwowano nadprzewodnictwo. Ukierunkowana technika zapewnia potężną strategię osiągania kwantowego przejścia fazowego indukowanego przez pole elektryczne.

Wprowadzenie

Kontrola liczby nośnika jest kluczową techniką realizacji kwantowego przejścia fazowego w ciałach stałych1. W konwencjonalnym tranzystorze polowym (FET) osiąga się to za pomocą bramki stałej1,2. W takim urządzeniu gradient potencjału elektrycznego jest jednolity we wszystkich materiałach dielektrycznych, tak że indukowana liczba nośników na granicy faz jest ograniczona, pokazana na Rysunek 1a.

Z drugiej strony, możemy osiągnąć wyższą gęstość nośnika na granicy faz lub masie, zastępując stałe materiały dielektryczne żelami/cieczami jonowymi lub elektrolitami polimerowymi3,4,5,6,7,8,9,10,11 (Rysunek 1b). W domieszkowaniu elektrostatycznym przy użyciu cieczy jonowej na granicy faz między cieczą jonową a próbką tworzy się struktura elektrycznego tranzystora dwuwarstwowego (EDLT), wytwarzając silne pole elektryczne (>0,5 V/A) nawet przy niskim napięciu polaryzacji. Wynikowa wysoka gęstość nośnika (>1014 cm-2) indukowana na granicy faz10,12,13 powodują nowe właściwości elektroniczne lub kwantowe przejście fazowe, takie jak ferromagnetyzm wywołany polem elektrycznym14, Blokada kulombowska15, transport ambipolarny16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, tworzenie złącza p-n i wynikowa elektroluminancja28,29,30, duża modulacja mocy termoelektrycznych31,32, fala gęstości ładunku i przejścia Motta33,34,35, oraz indukowane polem elektrycznym przejście między izolatorem a metalem36,37 w tym Nadprzewodnictwo wywołane polem elektrycznym9,10,11,38,39,40,41,42,43,44,45, 46,47,48,49.

W bramkowaniu elektrolitu (Rysunek 1c), jony są nie tylko akumulowane na granicy faz, tworząc EDLT, ale mogą być również interkalowane w warstwy materiałów dwuwymiarowych poprzez dyfuzję termiczną bez uszkadzania próbki pod wpływem dużego napięcia bramki, co prowadzi do domieszkowania elektrochemicznego8,9,11,34,38,50,51,52,53. W ten sposób możemy drastycznie zmienić liczbę nośnych w porównaniu z konwencjonalnym tranzystorem polowym za pomocą solidnej bramki. W szczególności nadprzewodnictwo wywołane polem elektrycznym9,11,34,38,50 jest realizowane za pomocą bramkowania elektrolitu w obszarze o dużej liczbie nośników, do którego nie możemy uzyskać dostępu konwencjonalną metodą bramkowania stałego.

W tym artykule przedstawiamy tę unikalną technikę kontroli liczby nośników w ciałach stałych oraz omawiamy działanie tranzystora i nadprzewodnictwo wywołane polem elektrycznym w próbkach półprzewodnikowych WS2, takich jak płatki WS2 i nanorurki WS254,55,56,57.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Dyspersja nanorurek WS 2 (NTs) na podłożu

  1. Proszki WS2 NT rozprowadzić w alkoholu izopropylowym (IPA, stężenie powyżej 99,8%) w odpowiednim stosunku rozcieńczonym (około 0,1 mg/ml) metodą sonikacji przez 20 min.
    UWAGA: Długotrwała sonikacja pomaga w wytwarzaniu WS2 NT równomiernie zawieszonych w cieczy IPA i oddzielaniu dobrze uformowanych pojedynczych WS2 NT od amorficznych WS2 lub innych śmieci, a także w usuwaniu śmieci gromadzących się na powierzchni WS2 NT. Rysunek 2b pokazuje ostateczne zawieszenie WS2 NTs. Ponieważ zawiesina może zostać podgrzana podczas procesu sonikacji, lepiej jest przerywać sonikację co 5 minut i kontynuować sonikację po 1 minutach.
  2. Procedura wirowania w celu dyspersji WS2 NT na podłożu.
    1. Uruchom maszynę do powlekania wirowego i pompę próżniową. Umieść podłoże Si/SiO2 (3000 A) (1 cm x 1 cm) na środku uchwytu i zamocuj je za pomocą podciśnienia z prędkością pompowania 80 l/min i ciśnieniem końcowym 20 kPa.
      UWAGA: W środku uchwytu znajduje się otwór łączący się z pompą próżniową, dzięki czemu podłoże jest ustalane za pomocą podciśnienia (prędkość pompowania wynosi 80 l/min, a ciśnienie końcowe 20 kPa). Podciśnienie może się różnić w zależności od pompy.
    2. Ustaw odpowiednie parametry procedury za pomocą panelu sterowania maszyny do powlekania.
      UWAGA: Podczas procedury wirowania należy wykonać trzy kroki: (1) powoli zwiększyć prędkość do 500 obr./min w ciągu pierwszych 3 s, (2) szybko przyspieszyć do 4000 obr./min i kontynuować przez 50 s, (3) zwolnić i zatrzymać wirowanie na ostatnie 3 s. Parametry te mogą się różnić w zależności od zastosowania powlekarki.
    3. Umieścić jedną kroplę (około 0,01 ml) zawiesiny WS2 NT sporządzonej w (1.1) za pomocą pipety na podłoże, aż substrat zostanie całkowicie pokryty zawiesiną (jeśli nie, umieścić więcej kropel). Następnie rozpocząć powlekanie wirowe z odpowiednimi parametrami w (1.2.2).

2. Przygotowanie cienkich płatków na podłożu metodą taśmy klejącej

  1. Umieść małą próbkę objętościową WS2 (wyhodowaną metodą chemicznego transportu oparów) na taśmie klejącej. Złóż taśmę klejącą i rozłóż ją powoli, aby mechanicznie złuszczyć cienką warstwę z masy. Powtórz tę procedurę kilka razy, aż złuszczone próbki będą wystarczająco cienkie.
    UWAGA: Rysunek 2g i 2h pokazują odpowiednio początkową taśmę z niewielką próbką objętościową WS2 i końcową taśmę po wielu procedurach składania.
  2. Przyklej taśmę klejącą na wierzchu podłoża do góry nogami, lekko dociśnij taśmę i ostrożnie usuń taśmę z górnej części podłoża.
    UWAGA: Po usunięciu taśmy na podłożu pozostaje wiele cienkich płatków.

3. Wytwarzanie urządzeń za pomocą litografii wiązką elektronów.

  1. Proces powlekania spinowego w celu pokrycia oporu w litografii wiązką elektronów.
    1. Postępować zgodnie z tą samą procedurą wirowania, opisaną w (1.2.1) i (1.2.2).
    2. Umieścić jedną kroplę (około 0,04 ml) polimetakrylanu metylu (PMMA) za pomocą pipety na podłożu, aż podłoże zostanie całkowicie pokryte PMMA. Następnie rozpocznij procedurę wirowania, aby równomiernie pokryć PMMA na próbce WS2, aby zapobiec jej wystawieniu na działanie powietrza.
      Uwaga: PMMA jest jednym z rezystorów do litografii wiązką elektronów.
    3. Po wirowaniu podłoże umieścić na płycie grzejnej w temperaturze 180 °C i podgrzewać przez 1 min.
      UWAGA: Parametry te mogą się różnić w zależności od typu rezystancji.
  2. Wybór próbki za pomocą mikroskopii optycznej.
    1. Uruchom mikroskopię optyczną i aparat fotograficzny. Połóż podłoże na scenie.
    2. Przesuwamy etap i skanujemy cały obszar podłoża w odpowiednim powiększeniu (20X), a w międzyczasie wybieramy izolowane próbki o odpowiedniej wielkości.
      Uwaga: W sumie można zwykle wybrać od 6 do 10 izolowanych próbek na każde podłoże o wymiarach 1 cm x 1 cm.
    3. Zrób zdjęcia każdej wybranej próbki z różnym powiększeniem 5X, 20X i 100X. Zdjęcia te służą do identyfikacji lokalizacji każdej próbki.
  3. Projekt wzorca urządzenia na dużą skalę.
    1. Aktywuj oprogramowanie AutoCAD i wczytaj format siatki podłoża. Wstawić zdjęcia zrobione w (3.2) i określić rozmiar i położenie każdego zdjęcia w zależności od znaków na podłożu.
    2. Wprowadzić duży kwadrat o długości 1200 μm i mały kwadrat o długości 300 μm, które powinny otaczać każdą próbkę.
    3. Projektuj wzory na dużą skalę, w tym bramkę, źródło, drenaż i inne pola lutownicze w dużym kwadracie, z wyjątkiem drobnych struktur w pobliżu próbki. Zaprojektuj małe znaki w pobliżu próbki, aby precyzyjnie określić lokalizację próbek w późniejszym procesie projektowania wzorca urządzenia na małą skalę.
    4. Powtórzyć czynności (3.3.2) do (3.3.3) dla każdej próbki.
    5. Zapisz współrzędne środka odpowiednio każdego dużego i małego kwadratu.
    6. Usuń wstawione zdjęcia, duże i małe kwadraty oraz format siatki podłoża, pozostawiając tylko zaprojektowane duże wzory i małe znaki. Eksportuj odpowiednio duże wzory i małe znaki jako pliki dxf.
  4. Pierwsza litografia wiązką elektronów.
    1. Umieść podłoże na stoliku i zamocuj je, a następnie włóż stolik do głównej komory maszyny do litografii wiązką elektronów.
    2. Aktywuj program ECA (program do generowania pliku wykorzystywanego w procesie wiązki elektronów). Ustaw rozmiar pola na 300 dla litografii małych znaków. Użyj narzędzia konwertera dxf, aby przenieść plik dxf do pliku komórkowego.
    3. Załaduj plik komórkowy wygenerowany w (3.4.2), wprowadź nazwę pliku, zidentyfikuj początek i zidentyfikuj punkty za pomocą współrzędnych małych kwadratów zanotowanych w (3.3.5). Na koniec zidentyfikuj współrzędne dużych znaków A i B oraz małych znaków A i B dla każdego punktu.
      Uwaga: Duże znaki A i B służą do korygowania kierunku stołu montażowego, natomiast małe znaki A i B służą do identyfikacji niezgodności między zaprojektowanym wzorem a wydrukowanym wzorem podczas procesu projektowania wzoru na małą skalę.
    4. Zapisz plik jako plik con file i poczekaj, aż ciśnienie wewnątrz komory głównej spadnie poniżej 5x10-5 Pa.
      UWAGA: Ponieważ wiązka elektronów ma wysoką energię (50 kV napięcia przyspieszającego), potrzebna jest wysoka jakość próżni.
    5. Gdy ciśnienie w komorze głównej stanie się wystarczająco niskie, aby można było przeprowadzić proces litografii wiązką elektronów, aktywuj program sterowania wiązką elektronów ESL-7500, a następnie włącz działo elektronowe.
    6. Włącz skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) i przesuń stolik do pozycji, w której znajduje się podłoże na ekranie. Dostosuj jasność, kontrast i ostrość.
    7. Dostosuj kąt stolika, oceniając na podstawie względnego położenia dużych znaków A i B pierwotnie zaprojektowanych na podłożu, aż błąd kierunku będzie znikomy przy powiększeniu 5000X. Po skorygowaniu kierunku stolika zarejestruj położenie dużego znaku A.
    8. Ustaw amplitudę wiązki elektronów dla litografii; 100 pA dla litografii małych znaków. Przesuń stolik do pozycji strojenia amplitudy i wybierz tryb punktowy dla kamery, zmień amplitudę wiązki elektronów, aż osiągnie 100 pA na amperometr. Po ustawieniu amplitudy wiązki elektronów dostosuj jasność, kontrast i ostrość.
    9. Załaduj zapisany plik con w (3.4.4) w programie ECA. Ustaw odpowiednie parametry: 2 s dla czasu dawkowania i 300 dla wielkości pola. Na koniec rozpocznij proces naświetlania.
      Uwaga: Czas dawkowania może się różnić w zależności od rezystancji.
    10. Wróć do programu do sterowania wiązką elektronów ESL-7500, ustaw 5000X powiększenia i przesuń stolik do zarejestrowanej pozycji dużego znaku A. Potwierdź położenie dużych znaków A i B.
    11. Ustaw 30000X powiększenia i potwierdź położenie małych znaków A i B dla litografii pierwszych małych znaków zaprojektowanych w (3.3.3).
      Uwaga: Litografia rozpoczyna się po dopasowaniu małych znaków i trwa kilka sekund.
    12. Po zakończeniu litografii powtórz tę procedurę dla wszystkich próbek. Na koniec zakończ proces ekspozycji i zamknij program ECA.
    13. Postępuj zgodnie z tym samym procesem od (3.4.2) do (3.4.10) z różnymi parametrami dla litografii dużego wzoru zaprojektowanego w (3.3.3). W (3.4.2) ustaw rozmiar pola na 1200. W (3.4.3) należy określić tylko współrzędne dużych znaków A i B, z wyjątkiem małych znaków A i B. W (3.4.8) ustaw amplitudę wiązki elektronów na 1000 pA dla litografii dużego wzoru. W (3.4.9) wybierz 1200 rozmiaru pola.
      Uwaga: Po procesie (3.4.10) rozpoczyna się litografia dużego wzoru, która trwa kilka godzin.
    14. Po zakończeniu litografii dużego wzoru należy przesunąć stolik do pierwotnego położenia, wyłączyć wiązkę elektronów i zakończyć proces naświetlania oraz program ECA. Otwórz główną komorę i wyjmij podłoże.
  5. Pierwsze opracowywanie.
    1. Sporządzić roztwór ketonu metylowo-izobutylowego (MIBK) i IPA w stosunku MIBK: IPA = 1: 3. Zanurzyć podłoże w roztworze na 30 s, przemyć płynem IPA i wysuszyć pistoletem do azotu.
      UWAGA: Czas wywoływania może się zmieniać w zależności od warunków otoczenia, takich jak temperatura i wilgotność.
    2. Rób zdjęcia za pomocą mikroskopii optycznej dla każdego wydrukowanego wzoru z różnym powiększeniem 5X, 20X i 100X.
  6. Projektowanie wzorca urządzenia na małą skalę.
    1. Postępuj zgodnie z tym samym procesem w (3.3). W (3.3.1) załaduj wzór siatki podłoża wraz z zaprojektowanymi małymi znacznikami w (3.3.3) i wstaw zdjęcia zrobione po pierwszym wywołaniu.
      UWAGA: Rozmiar i lokalizacja każdego zdjęcia zależy od małych znaków zaprojektowanych w (3.3.3), a nie od znaków na podłożu.
    2. Zaprojektuj drobną strukturę wzoru urządzenia ze źródłem, drenem i innymi elektrodami w małych kwadratach w konfiguracji pręta Halla, która jest połączona z wydrukowanym dużym wzorem. Po zaprojektowaniu małych wzorów dla wszystkich urządzeń, zapisz współrzędne małych kwadratów.
    3. Usuń wstawione zdjęcia, małe kwadraty i wzór podłoża, pozostawiając tylko zaprojektowane małe wzory. Wyeksportuj mały wzór jako plik dxf.
  7. Litografia drugą wiązką elektronów.
    1. Postępuj zgodnie z tym samym procesem od (3.4.1) do (3.4.11) z tymi samymi parametrami dla litografii małego wzoru zaprojektowanego w (3.6); ustaw 300 dla wielkości pola i wybierz 100 pA dla amplitudy wiązki elektronów.
      UWAGA: Proces litografii trwa kilka minut dla każdego małego wzoru.
    2. Po litografii małego wzoru przesuń stolik do pierwotnej pozycji, wyłącz wiązkę elektronów, zakończ proces naświetlania i zamknij program ECA. Otwórz główną komorę i wyjmij podłoże.
  8. Drugi rozwój.
    1. Postępuj zgodnie z tym samym procesem w (3.5) z tym samym czasem wywoływania, co 30 s.
    2. Rób zdjęcia za pomocą mikroskopii optycznej dla każdego wzoru z różnym powiększeniem 5X, 20X i 100X.

4. Osadzanie elektrod

  1. Osadzanie złotych elektrod.
    1. Zamocuj podłoże na uchwycie substratu, umieść uchwyt podłoża na pręcie transferowym i włóż go do głównej komory parownika. Rozpocznij obracanie uchwytu podłoża.
    2. Pierwsze nałożenie Cr o grubości 5 nm jako warstwa adhezyjna. Gdy ciśnienie wewnątrz głównej komory spadnie poniżej 10-4 Pa, włącz źródło wysokiego napięcia.
    3. Ostrożnie zwiększaj prąd działa elektronowego o stałym napięciu przyspieszającym 4 kV, aż szybkość osadzania mierzona przez monitor grubości ustabilizuje się o około 0,5 A / s (zwykle wstępnie odparuj Cr około 5 nm).
    4. Otwórz żaluzję i nałóż Cr, aż osiągnie grubość 5 nm. Zamknij migawkę, powoli zmniejsz prąd pistoletu elektronowego do zera i wyłącz źródło wysokiego napięcia.
    5. Następnie nałóż Au o odpowiedniej grubości. Włącz źródło prądu i powoli zwiększaj prąd do 30 A. Odparuj Au, utrzymując prąd 30 A, aż szybkość osadzania mierzona przez monitor grubości ustabilizuje się około 1 A/s (zwykle wstępne odparowanie Au około 10 nm).
    6. Otwórz migawkę i rozpocznij wpłacanie Au. Po osiągnięciu zamierzonej grubości zamknij migawkę, powoli zmniejsz prąd do zera i wyłącz źródło prądu.
      Uwaga: Używamy 60 nm dla cienkich płatków i 90 nm dla NT. Odpowiednia grubość zależy od próbki.
    7. Ponieważ podłoże jest podgrzewane podczas procesu osadzania, należy pozostawić podłoże w komorze przez 1 godzinę w celu schłodzenia jego temperatury do temperatury zbliżonej do pokojowej. Przestań obracać uchwyt podłoża i wyjmij go za pomocą pręta przenoszącego.
  2. Osadzanie się warstwy ochronnej SiO2.
    1. Za pomocą mikroskopii optycznej pokryj elektrody i elektrody bramki taśmą.
      UWAGA: W zasadzie tylko drobne struktury elektrod są narażone na osadzanie się warstwySiO 2 w celu ochrony elektrod przed reakcją chemiczną podczas bramkowania elektrolitu.
    2. Postępuj zgodnie z tym samym procesem od (4.1.1) do (4.1.4), aby nałożyć Cr o grubości 5 nm jako warstwę adhezyjną.
    3. Następnie postępuj zgodnie z tym samym procesem od (4.1.1) do (4.1.4), aby osadzić SiO2 o grubości 20 nm.
      Uwaga: Szybkość osadzania SiO2 wynosi około 1 A/s, podczas gdy wstępne odparowanie SiO2 wynosi około 10 nm.
    4. Schłodzić podłoże wewnątrz komory przez 1 godzinę. Przerwać obracanie uchwytu podłoża i wyjąć go za pręt transferowy. Usuń taśmę pod mikroskopem.

5. Ukończenie urządzenia

  1. Trasowanie podłoża.
    1. Włączyć maszynę do trasowania i pompę próżniową o prędkości pompowania 50 l/min i ciśnieniu końcowym 30 kPa. Zamocuj podłoże na stoliku za pomocą uchwytu próżniowego i wyreguluj kąt i położenie podłoża.
    2. Podłoże pokroić na małe kawałki (zwykle około 3 mm x 3 mm).
      Uwaga: Rozmiar każdego elementu zależy od lokalizacji każdej wybranej próbki i zaprojektowanego wzoru.
  2. Podnoszenie urządzenia.
    1. Wybierz jedno urządzenie i zanurz je w acetonie (stężenie powyżej 99,5%) na 1 godzinę w temperaturze pokojowej, aby usunąć zbędny PMMA i złoto. Na podłożu pozostają tylko spreparowane elektrody.
    2. Po procesie lift-off należy umyć podłoże alkoholem izopropylowym i wysuszyć je pistoletem do azotu.
  3. Klejenie drutowe.
    1. Włącz maszynę do łączenia drutów. Przymocować podłoże do nośnika wiórów za pomocą pasty srebrnej.
      UWAGA: W przypadku WS2 NT używamy poziomego rotatora pokazanego na Rysunek 2n.
    2. Za pomocą maszyny do łączenia drutów połącz każdą elektrodę i elektrodę nośnika wiórów jeden po drugim za pomocą złotego drutu.
  4. Umieszczanie kropelek elektrolitu.
    1. Umieść kroplę elektrolitu (mniej niż 0,5 μl) na górze urządzenia za pomocą pęsety po zanurzeniu w płynnym elektrolicie.
      UWAGA: Ilość elektrolitu jest bardzo mała; Zakrywa delikatną strukturę urządzenia i podkładki bramki, ale unika zakrywania elektrod. Stosujemy elektrolit KClO4 (stężenie powyżej 99%) rozpuszczony w glikolu polietylenowym (PEG; Mw = 600) ze stosunkiem [K]:[O] wynoszącym 1:20 zgodnie z poprzednią publikacją38.

6. Pomiary transportowe

  1. Zamocuj nośnik wiórów na uchwycie próbki i umieść go w komorze systemu pomiaru właściwości fizycznych za pomocą pręta przenoszącego. Pompuj komorę w trybie wysokiej próżni.
  2. Podłącz system pomiarowy, w tym wzmacniacze lock-in, nanowoltomierz, miernik źródła i wzmacniacz. Zastosuj stały prąd przemienny (AC) o częstotliwości 13 Hz, aby wykonać pomiary AC-lock-in.
  3. Uruchom program Keysight VEE (programy pomiarowe).
  4. W pomiarze odpowiedzi bramki, gdy napięcie bramki jest przyłożone do elektrolitu (tj. między elektrodami źródłowymi a bramkowymi), należy przemiatać napięcie bramki z prędkością 50 mV/s przy 300 K, w warunkach wysokiej próżni, aby zmniejszyć wpływ powietrza na wydajność bramkowania.
  5. W pomiarze zależności rezystancji od temperatury należy najpierw schłodzić do 200 K z szybkością chłodzenia 1 K/min w stanie wysokiej próżni, a następnie przejść do stanu oczyszczonego He-psucho i kontynuować schładzanie do 10 K z szybkością chłodzenia 1 K/min. Gdy temperatura jest niższa niż 10 K, schładzaj się i rozgrzewaj z szybkością 0,2 K/min.
    Uwaga: W stanie oczyszczonym przez He, przewodność cieplna i wynikająca z tego stabilność temperatury są lepsze niż w warunkach wysokiej próżni.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Typowe operacje tranzystorowe pojedynczego WS2 NT oraz WS2 urządzenia płatkowe przedstawiono na Rysunek 3a i 3bodpowiednio, gdzie prąd drenu źródła (IDS) jako funkcja napięcia bramki (VGwykazuje prawidłowe działanie w trybie ambipolarnym, co stanowi wyraźny kontrast w stosunku do unipolarnej odpowiedzi bramki w konwencjonalnym FET z bramką stałą opisanym w poprzedniej publikacji

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Zarówno w przypadku WS2 NT, jak i płatków, z powodzeniem kontrolowaliśmy właściwości elektryczne poprzez domieszkowanie nośnikami elektrostatycznymi lub elektrochemicznymi.

W obszarze domieszkowania elektrostatycznego zaobserwowano pracę tranzystora ambipolarnego. Taka ambipolarna krzywa przenoszenia z wysokim współczynnikiem włączenia/wyłączenia (>102) obserwowana przy niskim napięciu polaryzacji wskazuje na skuteczne domieszkowanie nośnika na granicy technologii bramkow...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Wyrażamy uznanie dla następującego wsparcia finansowego; Grant-in-Aid for Specially Promote Research (nr 25000003) od JSPS, Grant-in-Aid for Research Activity Start-up (No.15H06133) oraz Challenging Research (Exploratory) (No. JP17K18748) z MEXT z Japonii.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Maszyna do sonikacjiSND Co., Ltd.US-2http://www.senjyou.jp/
Maszyna do powlekaniaACTIVE Co., Ltd.ACT-300AIIhttp://www.acti-ve.co.jp/spincoater/standard/act300a2.html
Płyta grzejnaTAIYOHP131224http://www.taiyo-kabu.co.jp/products/detail.php?product_id=431
Mikroskopia optycznaOLYMPUSBX51https://www.olympus-ims.com/ja/microscope/bx51p/
Maszyna do litografii wiązką elektronówELIONIX INC.ELS-7500Ihttps://www.elionix.co.jp/index.html
Maszyna do trasowaniaTOKYO SEIMITSU CO., LTD.A-WS-100Ahttp://www.accretech.jp/english/product/semicon/wms/aws100s.html
Maszyna do klejenia drutuWEST· OBLIGACJA 7476D-79https://www.hisol.jp/products/bonder/wire/mgb/b.html
System pomiaru właściwości fizycznychQuantum DesignPPMShttp://www.qdusa.com/products/ppms.html
Wzmacniacz blokującyStanford Research SystemsSRS830http://www.thinksrs.com/products/SR810830.htm
Miernik źródłaTextronixKEITHLEY 2612Ahttp://www.tek.com/keithley-source-measure-units/smu-2600b-series-sourcemeter
KClO4Sigma-Aldrich241830
http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigald/241830?lang=ja®ion=JP PEGWAKO168-09075http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0116-0907
IPAWAKO169-28121http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=169-28121
MIBKWAKO131-05645http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0113-0564
PMMAMicroChemPMMAhttp://microchem.com/Prod-PMMA.htm
AcetonWAKO012-26821http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=012-26821

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

litografia wi zk elektron wambipolarna krzywa przenoszeniadomieszkowanie elektrochemicznedomieszkowanie elektrostatyczneobserwacja nadprzewodnictwadwusiarczek wolframukwantowe przej cie fazowe

Powiązane artykuły