Name: Sterowanie polem elektrycznym stanów elektronowych w nanourządzeniach WS2 za pomocą bramkowania elektrolitu (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-12T13:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 36 s
Description: Odkryj metodę bramkowania elektrolitem do kontroli liczby nośników w tlenku wolframu WS₂ i indukowania nadprzewodnictwa. Technika ta umożliwia generowanie silnych pól elektrycznych przy niskim napięciu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

1. Dyspersja nanorurek WS 2 (NTs) na podłożu
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Procedura wirowania w celu dyspersji WS2 NT na podłożu.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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).</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przygotowanie cienkich płatków na podłożu metodą taśmy klejącej
<ol>
	<li>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: <silna klasa="xfig">Rysunek 2g i 2h pokazują odpowiednio początkową taśmę z niewielką próbką objętościową WS2 i końcową taśmę po wielu procedurach składania.</li>
	<li>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.</li>
</ol>
3. Wytwarzanie urządzeń za pomocą litografii wiązką elektronów.
<ol>
	<li>Proces powlekania spinowego w celu pokrycia oporu w litografii wiązką elektronów.
	<ol>
		<li>Postępować zgodnie z tą samą procedurą wirowania, opisaną w (1.2.1) i (1.2.2).</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wybór próbki za pomocą mikroskopii optycznej.
	<ol>
		<li>Uruchom mikroskopię optyczną i aparat fotograficzny. Połóż podłoże na scenie.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Zrób zdjęcia każdej wybranej próbki z różnym powiększeniem 5X, 20X i 100X. Zdjęcia te służą do identyfikacji lokalizacji każdej próbki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Projekt wzorca urządzenia na dużą skalę.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Wprowadzić duży kwadrat o długości 1200 μm i mały kwadrat o długości 300 μm, które powinny otaczać każdą próbkę.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Powtórzyć czynności (3.3.2) do (3.3.3) dla każdej próbki.</li>
		<li>Zapisz współrzędne środka odpowiednio każdego dużego i małego kwadratu.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pierwsza litografia wiązką elektronów.
	<ol>
		<li>Umieść podłoże na stoliku i zamocuj je, a następnie włóż stolik do głównej komory maszyny do litografii wiązką elektronów.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Włącz skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) i przesuń stolik do pozycji, w której znajduje się podłoże na ekranie. Dostosuj jasność, kontrast i ostrość.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Po zakończeniu litografii powtórz tę procedurę dla wszystkich próbek. Na koniec zakończ proces ekspozycji i zamknij program ECA.</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Pierwsze opracowywanie.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Rób zdjęcia za pomocą mikroskopii optycznej dla każdego wydrukowanego wzoru z różnym powiększeniem 5X, 20X i 100X.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Projektowanie wzorca urządzenia na małą skalę.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Usuń wstawione zdjęcia, małe kwadraty i wzór podłoża, pozostawiając tylko zaprojektowane małe wzory. Wyeksportuj mały wzór jako plik dxf.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Litografia drugą wiązką elektronów.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Drugi rozwój.
	<ol>
		<li>Postępuj zgodnie z tym samym procesem w (3.5) z tym samym czasem wywoływania, co 30 s.</li>
		<li>Rób zdjęcia za pomocą mikroskopii optycznej dla każdego wzoru z różnym powiększeniem 5X, 20X i 100X.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Osadzanie elektrod
<ol>
	<li>Osadzanie złotych elektrod.
	<ol>
		<li>Zamocuj podłoże na uchwycie substratu, umieść uchwyt podłoża na pręcie transferowym i włóż go do głównej komory parownika. Rozpocznij obracanie uchwytu podłoża.</li>
		<li>Pierwsze nałożenie Cr o grubości 5 nm jako warstwa adhezyjna. Gdy ciśnienie wewnątrz głównej komory spadnie poniżej 10-4 Pa, włącz źródło wysokiego napięcia.</li>
		<li>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).</li>
		<li>Otwórz żaluzję i nałóż Cr, aż osiągnie grubość 5 nm. Zamknij migawkę, powoli zmniejsz prąd pistoletu elektronowego do zera i wyłącz źródło wysokiego napięcia.</li>
		<li>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).</li>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Osadzanie się warstwy ochronnej SiO2.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Postępuj zgodnie z tym samym procesem od (4.1.1) do (4.1.4), aby nałożyć Cr o grubości 5 nm jako warstwę adhezyjną.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Schłodzić podłoże wewnątrz komory przez 1 godzinę. Przerwać obracanie uchwytu podłoża i wyjąć go za pręt transferowy. Usuń taśmę pod mikroskopem.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. Ukończenie urządzenia
<ol>
	<li>Trasowanie podłoża.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Podnoszenie urządzenia.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Po procesie lift-off należy umyć podłoże alkoholem izopropylowym i wysuszyć je pistoletem do azotu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Klejenie drutowe.
	<ol>
		<li>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.</li>
		<li>Za pomocą maszyny do łączenia drutów połącz każdą elektrodę i elektrodę nośnika wiórów jeden po drugim za pomocą złotego drutu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Umieszczanie kropelek elektrolitu.
	<ol>
		<li>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.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. Pomiary transportowe
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Uruchom program Keysight VEE (programy pomiarowe).</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

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...

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 (<silna klasa="xfig">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.

<table><tbody><tr><td>Maszyna do sonikacji</td><td>SND Co., Ltd.</td><td>US-2</td><td>http://www.senjyou.jp/</td></tr> <tr><td>Maszyna do powlekania</td><td>ACTIVE Co., Ltd.</td><td>ACT-300AII</td><td>http://www.acti-ve.co.jp/spincoater/standard/act300a2.html</td></tr><tr><td>Płyta grzejna</td><td>TAIYO</td><td>HP131224</td><td>http://www.taiyo-kabu.co.jp/products/detail.php?product_id=431</td></tr><tr><td>Mikroskopia optyczna</td><td>OLYMPUS</td><td>BX51</td><td>https://www.olympus-ims.com/ja/microscope/bx51p/</td></tr> <tr><td>Maszyna do litografii wiązką elektronów</td><td>ELIONIX INC.</td><td>ELS-7500I</td><td>https://www.elionix.co.jp/index.html</td></tr><tr><td>Maszyna do trasowania</td><td>TOKYO SEIMITSU CO., LTD.</td><td>A-WS-100A</td><td>http://www.accretech.jp/english/product/semicon/wms/aws100s.html</td></tr><tr><td>Maszyna do klejenia drutu</td><td>WEST&middot; OBLIGACJA&nbsp;</td><td>7476D-79</td><td>https://www.hisol.jp/products/bonder/wire/mgb/b.html</td></tr><tr><td>System pomiaru właściwości fizycznych</td><td>Quantum Design</td><td>PPMS</td><td>http://www.qdusa.com/products/ppms.html</td></tr><tr><td>Wzmacniacz blokujący</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SRS830</td><td>http://www.thinksrs.com/products/SR810830.htm</td></tr><tr><td>Miernik źródła</td><td>Textronix</td><td>KEITHLEY 2612A</td><td>http://www.tek.com/keithley-source-measure-units/smu-2600b-series-sourcemeter</td></tr><tr><td>KClO4</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>241830</td><td></td></tr><tr><td>http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigald/241830?lang=ja&region=JP PEG</td><td>WAKO</td><td>168-09075</td><td>http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0116-0907</td></tr><tr><td>IPA</td><td>WAKO</td><td>169-28121</td><td>http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=169-28121</td></tr><tr><td>MIBK</td><td>WAKO</td><td>131-05645</td><td>http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0113-0564</td></tr><tr><td>PMMA</td><td>MicroChem</td><td>PMMA</td><td>http://microchem.com/Prod-PMMA.htm</td></tr><tr><td>Aceton</td><td>WAKO</td><td>012-26821</td><td>http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=012-26821</td></tr></tbody></table>

sterowanie polem elektrycznym stanów elektronowych w nanourządzeniach ws2 za pomocą bramkowania elektrolitu

Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating

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.

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<su...

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

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

A method of carrier number control by electrolyte gating is demonstrated. We have obtained WS2 thin flakes with atomically flat surface via scotch tape ...

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.

electric-field-control-electronic-states-ws2-nanodevices-electrolyte

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Opisujemy protokół produkcji i pomiaru urządzeń dla biosensorów wysokiej częstotliwości opartych na nanorurkach węglowych. Technika wykrywania wysokiej częstotliwości łagodzi podstawowy efekt ekranowania jonowego (Debye) i umożliwia pracę biosensora z nanorurkami w roztworach o wysokiej sile jonowej, w których zawodzą konwencjonalne bioczujniki elektroniczne. Nasza technologia stanowi unikalną platformę dla elektronicznych bioczujników przyłóżkowych (POC) działających w warunkach fizjologicznie...

Wytwarzanie nanoelektronicznego biosensora wysokiej częstotliwości z nanorurek węglowych do wykrywania w roztworach o wysokiej sile jonowej

Ten artykuł przedstawia szczegółowy protokół wytwarzania półprzewodnikowych bocznych kropek kwantowych zdefiniowanych przez bramkę na heterostrukturach arsenku galu. Te nanoskalowe urządzenia są używane do wychwytywania kilku elektronów w celu wykorzystania ich jako bitów kwantowych w kwantowym przetwarzaniu informacji lub do innych eksperymentów mezoskopowych, takich jak pomiary przewodności koherentnej.

Nanowytwarzanie bocznych kropek kwantowych GaAs/AlGaAs zdefiniowanych przez bramkę

Przedstawiono metodologię przygotowania nanoporów w stanie stałym w roztworze do eksperymentów z translokacją biomolekularną. Stosując krótkie impulsy o silnym polu elektrycznym, średnica nanoporów może być kontrolowana z subnanometryczną precyzją, a jej charakterystyka szumu elektrycznego znacznie się poprawia. Procedura ta jest wykonywana in situ przy użyciu standardowego sprzętu laboratoryjnego w warunkach eksperymentalnych.

Dostrajanie rozmiaru i minimalizowanie szumów nanoporów w stanie stałym

Solidna konstrukcja elektrostatycznych siłowników MEMS z obrzeżami pola skutkuje z natury niskimi warunkami tłumienia filmu ściskającego i długimi czasami stabilizacji podczas wykonywania operacji przełączania przy użyciu konwencjonalnego polaryzacji krokowej. Poprawa czasu przełączania w czasie rzeczywistym dzięki przebiegom dynamicznym prądu stałego skraca czas ustalania siłowników MEMS z polem obwódkowym podczas przechodzenia między stanami góra-dół i dół-dół-górę.

Metoda dynamicznego polaryzowania prądu stałego w czasie rzeczywistym w celu poprawy czasu przełączania w mocno niedotłumionych elektrostatycznych siłownikach MEMS z polem obrzeżnym

Ten artykuł szczegółowo opisuje proces produkcji urządzenia grafenowego z możliwością przestrajania bramki, ozdobionego zanieczyszczeniami kulombowskimi do skanowania badań mikroskopią tunelową. Mapowanie przestrzennie zależnej struktury elektronowej grafenu w obecności naładowanych zanieczyszczeń ujawnia unikalne zachowanie jego relatywistycznych nośników ładunku w odpowiedzi na lokalny potencjał kulombowski.

Wytwarzanie urządzeń grafenowych z funkcją gate-tunable do badań skaningowej mikroskopii tunelowej z zanieczyszczeniami kulombowskimi

Omówiono proces produkcji i eksperymentalne techniki charakterystyki pomp jednoelektronowych opartych na kropkach kwantowych krzemowo-metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowych.

Kropki kwantowe krzemowo-metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowe do pompowania pojedynczych elektronów

W tym artykule pokazano dielektroforezę wspomaganą przepływem dla samoorganizacji urządzeń nanoprzewodowych. Jako przykład pokazano wytwarzanie tranzystora polowego z nanodrutu krzemowego.

Dielektroforeza wspomagana przepływem: tania metoda wytwarzania wysokowydajnych urządzeń nanoprzewodowych przetwarzalnych w roztworze

Rektyfikacja ścieżek transportu jonów jest skuteczną metodą generowania jednokierunkowych przepływów elektrohydrodynamicznych ciągniętych jonami. Poprzez ustawienie membrany jonowymiennej w kanale przepływowym, generowany jest stan spolaryzowany elektrycznie, który powoduje napędzanie przepływu cieczy, gdy pole elektryczne jest przyłożone na zewnątrz.

Wytwarzanie i sterowanie przepływami elektrohydrodynamicznymi w wodnych roztworach elektrolitów

Artykuł ma na celu wprowadzenie standardowej i niezawodnej procedury produkcji dla rozwoju przyszłej niskowymiarowej nanoelektroniki.

Standardowa i niezawodna metoda wytwarzania dwuwymiarowej nanoelektroniki

Osiągnięcie wysokiej jakości styków Schottky'ego jest niezbędne do osiągnięcia efektywnej modulacji bramki w tranzystorach polowych o heterostrukturze (HFET). Przedstawiono metodologię wytwarzania i charakterystykę diod Schottky'ego na zn-polarnych heterostrukturach BeMgZnO/ZnO z dwuwymiarowym gazem elektronowym o dużej gęstości (2DEG), hodowanymi metodą epitaksji wiązki molekularnej wspomaganej plazmą na matrycach GaN.

Wytwarzanie diod Schottky'ego na zn-polarnej heterostrukturze BeMgZnO/ZnO wyhodowanej metodą epitaksji molekularnej wspomaganej plazmą

Obecny protokół demonstruje rozwój biosensora grafenowego tranzystora polowego (EGGFET) bramkowanego elektrolitem i jego zastosowanie w wykrywaniu biomarkerów immunoglobuliny G (IgG).

Opracowanie i funkcjonalizacja grafenowego tranzystora polowego bramkowanego elektrolitem do detekcji biomarkerów

Odkryj metodę bramkowania elektrolitem do kontroli liczby nośników w tlenku wolframu WS₂ i indukowania nadprzewodnictwa. Technika ta umożliwia generowanie silnych pól elektrycznych przy niskim napięciu.

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

Przeglądaj więcej filmów