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

Ogólnym celem tej procedury jest wykorzystanie bramkowania elektrolitu do kontrolowania liczby nośników i uzyskania kwantowych przemian fazowych wywołanych polem elektrycznym w tranzystorach dwusiarczku wolframu. Technika ta zapewnia potężną strategię osiągania kwantowych przejść fazowych, w tym nadprzewodnictwa indukowanego polem elektrycznym. Główną zaletą tej techniki jest to, że silne pole elektryczne może być generowane nawet przy niskim napięciu polaryzacji, indukując dużą gęstość nośników przez domieszkowanie elektrostatyczne lub elektrochemiczne.

Aby rozpocząć przygotowanie dyspersji nanorurek, połącz około 0,8 miligrama nanorurek dwusiarczku wolframu z ośmioma mililitrami alkoholu izopropylowego. Sonikować mieszaninę przez 20 minut, aby rozproszyć proszek nanorurki w alkoholu izopropylowym. Aby uniknąć podgrzewania zawiesiny, należy ją odpocząć przez jedną minutę po każdych pięciu minutach sonikacji.

Następnie włącz wirówkę i dołączoną do niej pompę próżniową. Umieść czyste podłoże z krzemu/dwutlenku krzemu na środku uchwytu próżniowego i zamocuj je na miejscu. Nałóż zawiesinę nanorurek dwusiarczku wolframu 0,1 miligrama na mililitr na podłoże kroplami, aż powierzchnia podłoża zostanie całkowicie pokryta.

Wirować podłoże z prędkością 4 000 obr./min przez 50 sekund. Aby rozpocząć przygotowywanie płatków dwusiarczku wolframu, umieść niewielką próbkę dwusiarczku wolframu po stronie kleju taśmy klejącej bez silikonu. Ostrożnie złóż i rozłóż taśmę, aby mechanicznie złuszczyć cienką warstwę dwusiarczku wolframu z masy.

Kontynuuj składanie i rozwijanie taśmy, aż złuszczona próbka pokryje taśmę cienką warstwą. Następnie delikatnie przyłóż taśmę do powierzchni czołowej czystego podłoża z dwutlenku krzemu/dwutlenku krzemu. Lekko dociśnij taśmę, aby przenieść płatki dwusiarczku wolframu na podłoże.

Ostrożnie oddzielić taśmę od podłoża, pozostawiając powierzchnię podłoża pokrytą cienkimi płatkami dwusiarczku wolframu. Aby rozpocząć produkcję urządzenia, umieść podłoże krzemowe/dwutlenek krzemu pokryte nanorurkami dwusiarczku wolframu lub cienkimi płatkami na środku uchwytu próżniowego do powlekarki wirowej. Nanieś krople PMMA na podłoże, aż jego powierzchnia zostanie pokryta.

Wirowanie podłoża z prędkością 4 000 obr./min przez 50 sekund, aby równomiernie pokryć podłoże PMMA, chroniąc w ten sposób nanorurki lub płatki dwusiarczku wolframu przed działaniem powietrza. Podłoże pokryte PMMA podgrzewać w temperaturze 180 stopni Celsjusza przez jedną minutę. Następnie umieść podłoże na stoliku mikroskopu optycznego wyposażonego w kamerę.

Sprawdź podłoże przy 20-krotnym powiększeniu i zidentyfikuj od sześciu do 10 izolowanych próbek dwusiarczku wolframu o odpowiedniej wielkości. Zrób zdjęcia każdej izolowanej próbki w powiększeniu 5x, 20x i 100x. Następnie otwórz oprogramowanie CAD i załaduj format kraty podłoża.

Zaimportuj zdjęcia próbek i określ rozmiar i położenie każdego obrazu na podstawie znaczników na podłożu. Narysuj kwadrat o długości 1 200 mikrometrów i kwadrat o długości 300 mikrometrów wokół każdej próbki. Projektuj wzory na dużą skalę, w tym bramkę, źródło, drenaż i inne pola w każdym dużym kwadracie, z wyłączeniem drobnych struktur w pobliżu próbek.

Dodaj znaczniki w każdym małym kwadracie, aby precyzyjnie zidentyfikować lokalizacje próbek. Gdy wzory zostały zaprojektowane dla wszystkich próbek, usuń wszystkie oprócz wzorów i znaków. Eksportuj wzory i znaki jako pliki DXF.

Następnie umieść podłoże na stoliku na próbkę przyrządu do litografii wiązką elektronów. Włóż stolik na próbkę do komory głównej i rozpocznij opróżnianie komory. Przekonwertuj plik DXF z małymi znacznikami na plik komórkowy.

Zaznacz plik do litografii wiązką elektronów i zapisz plik w formacie con dla przyrządu do litografii wiązką elektronów. Gdy ciśnienie w komorze głównej spadnie poniżej pięć razy 10 do ujemnych pięciu pakali, otwórz oprogramowanie przyrządu i włącz działo elektronowe. Ułóż wzór na podłożu z małymi śladami.

Następnie oklep podłoże większymi wzorami przy użyciu tego samego procesu. Po zakończeniu litografii wyłącz wiązkę elektronów i zamknij oprogramowanie. Odwietrz główną komorę i usuń wzorzyste podłoże.

Rozwinąć substrat przez zanurzenie w mieszaninie jeden do trzech ketonu metylowo-izobutylowego i alkoholu izopropylowego na 30 sekund. Podłoże umyć alkoholem izopropylowym, a powstałe podłoże osuszyć pistoletem do azotu. Zrób kolejny zestaw zdjęć każdej próbki w powiększeniu 5x, 20x i 100x.

Zaimportuj obrazy do oprogramowania CAD. Zlokalizuj obrazy za pomocą zaprojektowanych małych markerów. Następnie zaprojektuj delikatną strukturę urządzenia.

Uformuj podłoże za pomocą litografii wiązką elektronów, wywołaj i wysusz podłoże. Aby rozpocząć proces osadzania elektrody, należy przymocować wzorzyste podłoże do osadzania z fazy gazowej. Przymocuj uchwyt podłoża do pręta transferowego i opróżnij komorę.

Następnie włóż podłoże do głównej komory parownika. Rozpocznij obracanie uchwytu podłoża. Ewakuuj się z głównej komory.

Otwórz migawkę i nałóż pięć nanometrów chromu jako początkową warstwę adhezyjną. Następnie zwiększ prąd do 30 amperów. Odparuj złoto z odpowiednią szybkością i grubością.

Zamknij migawkę, aby zakończyć osadzanie. Powoli zmniejsz prąd do zera i wyłącz źródło prądu. Następnie zatrzymaj obrót uchwytu podłoża.

Pozostaw podłoże w komorze na godzinę, aby ostygło do temperatury pokojowej przed jego usunięciem. Następnie przykryj pady i elektrody bramki taśmą, uważając, aby odsłonić drobne struktury urządzenia. Umieść 20-nanometrową warstwę dwutlenku krzemu, aby chronić elektrody podczas bramkowania elektrolitu.

Po osadzeniu elektrody oddziel urządzenia, krojąc podłoże w kostkę na małe kawałki. Zanurz jedno urządzenie w acetonie na godzinę w temperaturze pokojowej, aby usunąć resztki PMMA i złota. Następnie umyj urządzenie alkoholem izopropylowym i osusz je pistoletem do azotu.

Zamocuj urządzenie na nośniku chipowym za pomocą przewodzącej pasty srebrnej. Połącz drutem każdą elektrodę z elektrodą na nośniku chipa za pomocą złotych drutów o grubości 25 mikrometrów. Następnie zanurz pęsetę w roztworze elektrolitu.

Ostrożnie nanieść elektrolit na delikatną strukturę urządzenia i podkładkę bramki, nie zakrywając elektrod. Następnie zamocuj nośnik wiórów na uchwycie próbki systemu pomiarowego. Użyj pręta transferowego, aby włożyć uchwyt próbki do systemu.

Opróżnij komorę do warunków wysokiej próżni. Korzystaj z oprogramowania pomiarowego do wykonywania pomiarów transportowych. Ambipolarne krzywe przenoszenia zaobserwowano zarówno dla nanorurek dwusiarczku wolframu, jak i urządzeń płatkowych.

Obubiegunowe zachowanie było odwracalne i powtarzalne, co sugeruje, że operacje te wynikały z domieszkowania elektrostatycznego. Prąd źródła-drenu urządzenia z nanorurkami dwusiarczku wolframu zbadano w funkcji napięcia bramki i czasu oczekiwania. Początkowe zachowanie nasycenia wskazywało na domieszkowanie elektrostatyczne.

Domieszkowanie elektrochemiczne obserwowano przy wyższych napięciach bramki. Dramatyczny wzrost prądu źródło dren, gdy napięcie bramki było utrzymywane na poziomie ośmiu woltów przez kilka minut, wskazywało na interkalację jonów potasu do warstw dwusiarczku wolframu bez uszkodzenia struktury krystalicznej. Podobną reakcję bramki zaobserwowano w przypadku urządzeń z płatkami dwusiarczku wolframu.

Zachowanie nasycenia następowało, gdy napięcie bramki zostało zwiększone do sześciu woltów, ale nie zaobserwowano znaczącej zmiany w gęstości nośnika. Takie zachowanie wskazywało na doping elektrostatyczny. Prąd źródła-drenu i gęstość nośnej zwiększały się, gdy napięcie bramki przekraczało sześć woltów, co wskazywało, że nastąpiła interkalacja.

Po domieszkowaniu elektrochemicznym zarówno nanorurki dwusiarczku wolframu, jak i urządzenia płatkowe wykazywały nadprzewodnictwo w niskich temperaturach. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się fizyką materii skondensowanej i materiałoznawstwem do badania elektrycznych przejść fazowych, w tym nadprzewodnictwa wywołanego polem elektrycznym i zmian fazowych struktury w różnych materiałach. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak używać bramkowania cieczą jonową na ciałach stałych zarówno do domieszkowania elektrostatycznego, jak i elektrochemicznego.