Электрическое поле контроля электронных состояний в WS₂ наноустройства, электролит стробирования

Общая цель этой процедуры заключается в использовании электролитного стробирования для управления несущим числом и достижения квантовых фазовых переходов, индуцированных электрическим полем, в транзисторах из дисульфида вольфрама. Этот метод обеспечивает мощную стратегию для достижения квантовых фазовых переходов, включая сверхпроводимость, индуцированную электрическим полем. Основное преимущество этого метода заключается в том, что сильное электрическое поле может быть сгенерировано даже при низком напряжении смещения, индуцируя большую плотность носителей за счет электростатического или электрохимического легирования.

Чтобы начать приготовление дисперсии нанотрубок, соедините около 0,8 миллиграмма нанотрубок дисульфида вольфрама с восемью миллилитрами изопропилового спирта. Обработайте смесь ультразвуком в течение 20 минут, чтобы диспергировать порошок нанотрубки в изопропиловом спирте. Чтобы избежать нагрева суспензии, дайте ей отдых в течение одной минуты после каждых пяти минут ультразвуковой обработки.

Далее включаем прядильный аппарат и подключенный к нему вакуумный насос. Поместите чистую подложку из силикона/диоксида кремния в центр вакуумного патрона и зафиксируйте ее на месте. Нанесите суспензию нанотрубок дисульфида вольфрама в концентрации 0,1 миллиграмма на миллилитр в каплях до полного покрытия поверхности подложки.

Нанесите слой на основание при 4 000 об/мин в течение 50 секунд. Чтобы начать приготовление хлопьев дисульфида вольфрама, поместите небольшой объемный образец дисульфида вольфрама на клейкую сторону клейкой ленты, не содержащей силикона. Аккуратно сложите и разверните ленту, чтобы механически отслоить тонкий слой дисульфида вольфрама из объема.

Продолжайте складывать и разворачивать ленту до тех пор, пока отслоившийся образец не покроет ленту тонким слоем. Затем аккуратно приложите ленту к поверхности диоксида кремния чистой подложки из силикона/диоксида кремния. Слегка надавите на ленту, чтобы перенести хлопья дисульфида вольфрама на подложку.

Аккуратно отделите ленту от подложки, оставив поверхность подложки покрытой тонкими хлопьями дисульфида вольфрама. Чтобы начать изготовление устройства, поместите подложку из кремния/диоксида кремния, покрытую нанотрубками дисульфида вольфрама или тонкими чешуйками, в центр вакуумного патрона для нанесения покрытий. Наносите капли ПММА на субстрат до полного покрытия его поверхности.

Нанесите на подложку отжим при 4 000 об/мин в течение 50 секунд, чтобы равномерно покрыть подложку ПММА, тем самым защищая нанотрубки или хлопья дисульфида вольфрама от воздействия воздуха. Нагрейте основание, покрытое ПММА, до 180 градусов Цельсия в течение одной минуты. Далее поместите подложку на предметный столик оптического микроскопа, оснащенного камерой.

Осмотрите подложку при 20-кратном увеличении и определите от шести до 10 выделенных образцов дисульфида вольфрама подходящего размера. Сфотографируйте каждый изолированный образец при 5-кратном, 20-кратном и 100-кратном увеличении. Затем откройте программу САПР и загрузите формат решетки подложки.

Импортируйте изображения образцов и определите размер и расположение каждого изображения по отметкам на подложке. Нарисуйте квадрат размером 1 200 микрометров и квадрат 300 микрометров вокруг каждого образца. Проектируйте крупномасштабные узоры, включая затвор, источник, дренаж и другие контактные площадки в каждом большом квадрате, исключая мелкие структуры рядом с образцами.

Добавьте метки в каждый маленький квадрат для точного определения мест расположения образцов. Если шаблоны разработаны для всех образцов, удалите все, кроме шаблонов и меток. Экспортируйте образцы и метки в виде файлов DXF.

Затем поместите подложку на предметный столик прибора электронно-лучевой литографии. Вставьте ступень для образца в основную камеру и начните вакуумирование из камеры. Преобразуйте файл DXF с мелкими пометками в файл ячейки.

Отметьте файл для электронно-лучевой литографии и сохраните файл в формате con для прибора электронно-лучевой литографии. Как только давление в основной камере опустится ниже пяти умно-10 на отрицательные пять Паскалей, откройте программное обеспечение прибора и включите электронную пушку. Выложите на подложку небольшие отметки.

Затем похлопайте по субстрату более крупными рисунками, используя тот же процесс. Когда литография будет завершена, выключите электронный луч и выйдите из программы. Проветрите основную камеру и удалите узорчатую подложку.

Проявите подложку путем погружения в смесь метилизобутилкетона и изопропилового спирта в соотношении от одного до трех на 30 секунд. Промойте субстрат изопропиловым спиртом, а подготовленный субстрат просушите азотным пистолетом. Сделайте еще одну серию снимков каждого образца при 5-кратном, 20-кратном и 100-кратном увеличении.

Импортируйте изображения в программное обеспечение САПР. Находите изображения по маленьким маркерам. Затем спроектируйте тонкую структуру устройства.

Смоделируйте подложку с помощью электронно-лучевой литографии, проявите и высушите подложку. Чтобы начать процесс напыления электродов, закрепите структурированную подложку на держателе подложки для осаждения из паровой фазы. Прикрепите держатель подложки к переводному стержню и вакуумируйте камеру.

Затем вставьте субстрат в основную камеру испарителя. Начните вращать держатель подложки. Эвакуируйте основную камеру.

Откройте затвор и нанесите пять нанометров хрома в качестве начального слоя адгезии. Затем увеличьте ток до 30 ампер. Испаряйте золото с подходящей скоростью напыления и толщиной.

Закройте затвор до окончания осаждения. Медленно убавьте ток до нуля и выключите источник тока. Затем остановите вращение держателя подложки.

Дайте субстрату отдохнуть в камере в течение одного часа, чтобы он остыл до комнатной температуры, прежде чем снимать его. Далее накройте прокладки и электроды затвора скотчем, стараясь обнажить мелкие структуры устройства. Нанесите слой диоксида кремния толщиной 20 нанометров для защиты электродов во время литирования электролита.

После нанесения электродов разделите устройства, нарезав подложку кубиками на мелкие кусочки. Погрузите одно устройство в ацетон на один час при комнатной температуре, чтобы удалить остатки ПММА и золота. Затем промойте устройство изопропиловым спиртом, а просушите его азотным пистолетом.

Закрепите устройство на держателе микросхемы с помощью проводящей серебряной пасты. Соедините каждую электродную площадку с электродом на держателе чипа с помощью золотых проводов толщиной 25 микрометров. Далее опустите пинцет в раствор электролита.

Осторожно нанесите электролит на тонкую структуру прибора и накладки затвора, не покрывая прокладки электродов. Затем закрепите держатель чипа на держателе образца измерительной системы. Используйте переводной стержень, чтобы вставить держатель образца в систему.

Откачайте камеру до уровня высокого вакуума. Используйте измерительное программное обеспечение для выполнения измерений транспорта. Амбиполярные кривые переноса наблюдались как для нанотрубок из дисульфида вольфрама, так и для чешуйчатых устройств.

Амбиполярное поведение было обратимым и повторяемым, что позволяет предположить, что эти операции являются результатом электростатического легирования. Ток «источник-сток» устройства на основе нанотрубок из дисульфида вольфрама был исследован в зависимости от напряжения затвора и времени ожидания. Исходное поведение насыщения указывало на электростатическое легирование.

Электрохимическое легирование наблюдалось при более высоких напряжениях затвора. Резкое увеличение тока источника-стока при удержании напряжения затвора на уровне восьми вольт в течение нескольких минут указывало на интеркаляцию ионов калия в слои дисульфида вольфрама без повреждения кристаллической структуры. Аналогичная реакция затвора наблюдалась для устройств с чешуйками дисульфида вольфрама.

Поведение насыщения происходило при увеличении напряжения затвора до шести вольт, но существенного изменения плотности носителей не наблюдалось. Такое поведение свидетельствовало об электростатическом легировании. Ток источника-стока и плотность несущей увеличивались, когда напряжение затвора превышало шесть вольт, что указывает на то, что интеркаляция произошла.

После электрохимического легирования как нанотрубки на основе дисульфида вольфрама, так и чешуйчатые устройства показали сверхпроводимость при низких температурах. После своего развития этот метод проложил путь исследователям в области физики конденсированных сред и материаловедения к изучению электрических фазовых переходов, включая сверхпроводимость, индуцированную электрическим полем, и структурные фазовые переходы в различных материалах. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как использовать ионное жидкостное гейтинг на твердых телах как для электростатического, так и для электрохимического легирования.