Campo elétrico controle de Estados eletrônicos em WS₂ nanodispositivos por retenção de eletrólitos

O objetivo geral deste procedimento é usar o gating de eletrólitos para controlar o número de portadores e obter transições de fase quântica induzidas por campo elétrico em transistores de dissulfeto de tungstênio. Essa técnica fornece uma estratégia poderosa para alcançar transições de fase quânticas, incluindo supercondutividade induzida por campo elétrico. A principal vantagem desta técnica é que um forte campo elétrico pode ser gerado mesmo sob baixa tensão de polarização, induzindo grande densidade de portadores por dopagem eletrostática ou eletroquímica.

Para começar a preparar a dispersão de nanotubos, combine cerca de 0,8 miligramas de nanotubos de dissulfeto de tungstênio com oito mililitros de álcool isopropílico. Sonicar a mistura por 20 minutos para dispersar o pó do nanotubo no álcool isopropílico. Para evitar o aquecimento da suspensão, descanse-a por um minuto a cada cinco minutos de sonicação.

Em seguida, ligue um revestidor giratório e sua bomba de vácuo anexada. Coloque um substrato limpo de silício/dióxido de silício no centro do mandril a vácuo e fixe-o no lugar. Aplique a suspensão de nanotubos de dissulfeto de tungstênio de 0,1 miligrama por mililitro no substrato em gotas até que a superfície do substrato esteja completamente coberta.

Centrifugar o substrato a 4 000 rpm durante 50 segundos. Para começar a preparar os flocos de dissulfeto de tungstênio, coloque uma pequena amostra a granel de dissulfeto de tungstênio no lado adesivo da fita adesiva sem silicone. Dobre e desdobre cuidadosamente a fita para esfoliar mecanicamente uma fina camada de dissulfeto de tungstênio do volume.

Continue dobrando e desdobrando a fita até que a amostra esfoliada cubra a fita como uma camada fina. Em seguida, aplique suavemente a fita na face de dióxido de silício de um substrato limpo de silício/dióxido de silício. Aplique uma leve pressão na fita para transferir os flocos de dissulfeto de tungstênio para o substrato.

Separe cuidadosamente a fita do substrato, deixando a superfície do substrato revestida com flocos finos de dissulfeto de tungstênio. Para iniciar a fabricação do dispositivo, coloque um substrato de silício/dióxido de silício revestido com nanotubos de dissulfeto de tungstênio ou flocos finos no centro de um mandril de vácuo de revestimento giratório. Aplique gotas de PMMA no substrato até que sua superfície esteja coberta.

Gire o substrato a 4.000 rpm por 50 segundos para revestir uniformemente o substrato com PMMA, protegendo assim os nanotubos ou flocos de dissulfeto de tungstênio da exposição ao ar. Aqueça o substrato revestido com PMMA a 180 graus Celsius por um minuto. Em seguida, coloque o substrato no palco de um microscópio óptico equipado com uma câmera.

Inspecione o substrato com ampliação de 20X e identifique seis a 10 amostras isoladas de dissulfeto de tungstênio de tamanho adequado. Tire fotos de cada amostra isolada com ampliação de 5X, 20X e 100X. Em seguida, abra o software CAD e carregue o formato da rede do substrato.

Importe as imagens das amostras e determine o tamanho e a localização de cada imagem a partir das marcas no substrato. Desenhe um quadrado de 1.200 micrômetros e um quadrado de 300 micrômetros ao redor de cada amostra. Projete padrões em grande escala, incluindo portão, fonte, dreno e outras almofadas em cada quadrado grande, excluindo estruturas finas próximas às amostras.

Adicione marcas em cada pequeno quadrado para identificação precisa dos locais da amostra. Quando os padrões tiverem sido projetados para todas as amostras, exclua todos, exceto os padrões e as marcas. Exporte os padrões e marcas como arquivos DXF.

Em seguida, coloque o substrato no estágio de amostra de um instrumento de litografia por feixe de elétrons. Insira o sample stage na câmara principal e comece a evacuar a câmara. Converta o arquivo DXF de pequenas marcas em um arquivo de célula.

Marque o arquivo para litografia por feixe de elétrons e salve o arquivo no formato con para o instrumento de litografia por feixe de elétrons. Quando a pressão da câmara principal estiver abaixo de cinco vezes 10 elevado a cinco pascais negativos, abra o software do instrumento e ligue o canhão de elétrons. Padronize o substrato com as pequenas marcas.

Em seguida, espalhe o substrato com os desenhos maiores usando o mesmo processo. Quando a litografia estiver concluída, desligue o feixe de elétrons e saia do software. Ventile a câmara principal e remova o substrato padronizado.

Desenvolver o substrato por imersão numa mistura de um a três de metil isobutilcetona e álcool isopropílico durante 30 segundos. Lave o substrato com álcool isopropílico e seque o substrato desenvolvido com uma pistola de nitrogênio. Tire outro conjunto de fotos de cada amostra com ampliação de 5X, 20X e 100X.

Importe as imagens para o software CAD. Localize as imagens por meio de pequenos marcadores projetados. Em seguida, projete a estrutura fina do dispositivo.

Padronize o substrato com litografia por feixe de elétrons, desenvolva e seque o substrato. Para iniciar o processo de deposição do eletrodo, fixe o substrato padronizado em um suporte de substrato de deposição de vapor. Fixe o suporte do substrato a uma haste de transferência e evacue a câmara.

Em seguida, insira o substrato na câmara principal do evaporador. Comece a girar o suporte do substrato. Evacue a câmara principal.

Abra o obturador e deposite cinco nanômetros de cromo como camada de adesão inicial. Em seguida, aumente a corrente para 30 ampères. Evaporar o ouro com taxa de deposição e espessura adequadas.

Feche o obturador para terminar a deposição. Reduza lentamente a corrente a zero e desligue a fonte de corrente. Em seguida, pare a rotação do suporte do substrato.

Deixe o substrato descansar na câmara por uma hora para esfriar até a temperatura ambiente antes de removê-lo. Em seguida, cubra as almofadas e os eletrodos da porta com fita adesiva, tomando cuidado para expor as estruturas finas do dispositivo. Deposite uma camada de dióxido de silício de 20 nanômetros para proteger os eletrodos durante a ativação de eletrólitos.

Após a deposição do eletrodo, separe os dispositivos cortando o substrato em pequenos pedaços. Mergulhe um dispositivo em acetona por uma hora em temperatura ambiente para remover PMMA e ouro residuais. Em seguida, lave o dispositivo com álcool isopropílico e seque-o com uma pistola de nitrogênio.

Fixe o dispositivo em um suporte de chip com pasta de prata condutora. Conecte cada eletrodo a um eletrodo no suporte do chip com fios de ouro de 25 micrômetros de espessura. Em seguida, mergulhe uma pinça em uma solução eletrolítica.

Aplique cuidadosamente o eletrólito na estrutura fina do dispositivo e na almofada do portão sem cobrir as almofadas do eletrodo. Em seguida, fixe o suporte do chip no suporte de amostra do sistema de medição. Use a haste de transferência para inserir o porta-amostras no sistema.

Evacue a câmara para condições de alto vácuo. Use o software de medição para realizar medições de transporte. Curvas de transferência ambipolares foram observadas tanto para os nanotubos de dissulfeto de tungstênio quanto para os dispositivos de flocos.

O comportamento ambipolar foi reversível e repetível, sugerindo que essas operações resultaram de dopagem eletrostática. A corrente fonte-dreno de um dispositivo de nanotubo de dissulfeto de tungstênio foi examinada em função da tensão da porta e do tempo de espera. O comportamento de saturação inicial indicou dopagem eletrostática.

A dopagem eletroquímica foi observada em tensões de porta mais altas. O aumento dramático na corrente fonte-dreno quando a tensão da porta foi mantida em oito volts por vários minutos indicou a intercalação de íons de potássio nas camadas de dissulfeto de tungstênio sem danificar a estrutura cristalina. Uma resposta de porta semelhante foi observada para dispositivos de flocos de dissulfeto de tungstênio.

O comportamento de saturação ocorreu à medida que a tensão da porta foi aumentada para seis volts, mas nenhuma mudança significativa na densidade da portadora foi observada. Esse comportamento foi indicativo de dopagem eletrostática. A corrente de dreno da fonte e a densidade da portadora aumentaram quando a tensão da porta excedeu seis volts, indicando que a intercalação ocorreu.

Após a dopagem eletroquímica, tanto o nanotubo de dissulfeto de tungstênio quanto os dispositivos de flocos apresentaram supercondutividade em baixas temperaturas. Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores em física da matéria condensada e ciência dos materiais explorarem transições de fase elétricas, incluindo a supercondutividade induzida por campo elétrico e as transições de fase da estrutura em uma variedade de materiais. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como usar o gating de líquido iônico em sólidos para dopagem eletrostática e eletroquímica.