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Engineering

Ohmico Fabrication contatto con una tecnica Focused Ion Beam-e caratterizzazione elettrica per strato semiconduttore Nanostrutture

Published: December 5, 2015 doi: 10.3791/53200

Abstract

Semiconduttori strato con strutture (2D) facilmente elaborati bidimensionali presentano transizioni bandgap indiretta a diretta e prestazioni dei transistor superiore, che suggeriscono una nuova direzione per lo sviluppo degli ultraleggeri di ultima generazione e dispositivi fotonici e elettronici flessibili. Maggiore luminescenza efficienza quantica è stato ampiamente osservato in questi cristalli 2D atomico sottili. Tuttavia, gli effetti di dimensione al di là di spessori confinamento quantistico o anche su scala micrometrica non sono previsti e raramente sono stati osservati. In questo studio, molibdeno diselenide (MOSE 2) strato di cristalli con una gamma di spessori 6-2,700 nm sono stati fabbricati come due o quattro dispositivi terminali. Formazione contatto ohmico è stato raggiunto con successo con il metodo di deposizione raggio focalizzato ioni di litio (FIB) utilizzando il platino (Pt) come metallo contatto. Cristalli di livello con vari spessori sono stati preparati attraverso semplice esfoliazione meccanica utilizzando del nastro adesivo taglio a cubetti. MISURE curva corrente-tensionets sono stati eseguiti per determinare il valore di conducibilità dei nanocristalli strato. Inoltre, ad alta risoluzione microscopio elettronico a trasmissione,-regione selezionata elettroni diffrattometria, e spettroscopia a raggi X a dispersione di energia sono stati usati per caratterizzare l'interfaccia del contatto metallo-semiconduttore dei MOSE 2 dispositivi FIB-fabbricato. Dopo l'applicazione degli approcci, è stata osservata la sostanziale conducibilità elettrica spessore-dipendente in una vasta gamma di spessore per la -layer semiconduttori MoSE 2. La conducibilità aumentata di più di due ordini di grandezza da 4,6 a 1500 Ω - 1 cm - 1, con una diminuzione dello spessore da 2.700 a 6 nm. Inoltre, la conducibilità in funzione della temperatura indicato che i sottili Møse 2 multilayers esposti comportamento semiconduttore notevolmente debole con energie di attivazione di 3,5-8,5 meV, che sono notevolmente inferiori a quelle (36-38 meV) della massa. Probable proprietà di trasporto di superficie dominante e la presenza di una concentrazione di elettroni ad alta superficie di mose 2 sono proposti. Risultati simili possono essere ottenuti per altri materiali semiconduttori come strato MoS 2 e WS 2.

Introduction

Dichalcogenides metalli di transizione (TMD), come MoS 2, Mosè 2, WS 2, e WSE 2, hanno un bidimensionali (2D) struttura dei livelli interessanti e proprietà di semiconduttore 1-3. Gli scienziati hanno recentemente scoperto che la struttura monostrato di MoS 2 mostra una sostanzialmente maggiore efficienza luminescente causa dell'effetto confinamento quantico. La scoperta del nuovo materiale semiconduttore-bandgap diretta ha attirato notevole attenzione 4-7. Inoltre, la struttura dei livelli facilmente spogliato di TMD è una piattaforma eccellente per studiare le proprietà fondamentali dei materiali 2D. Diversamente grafene metallico senza bandgap, TMDs avere caratteristiche intrinseche semiconduttori e hanno un bandgap nell'intervallo 1-2 eV 1,3,8. Le strutture 2D dei composti ternari di TMDs 9 e la possibilità di integrazione di questi composti con grafene forniscono un opp senza precedentiortunity per sviluppare dispositivi elettronici ultrasottili e flessibili.

A differenza di grafene, i valori di temperatura ambiente di mobilità degli elettroni 2D TMD sono ad un livello moderato (1-200 cm 2 V - 1 sec - 1 per AdM 10-17 febbraio; circa il 50 cm 2 V - 1 sec - 1 per MOSE 2 18 ). I valori ottimali di mobilità di grafene sono stati segnalati per essere superiore a 10.000 cm 2 V - 1 sec. - 19-21 Gennaio Tuttavia, semiconduttori monostrati TMD esibiscono ottime prestazioni del dispositivo. Per esempio, il MoS 2 e Mosè 2 monostrati o multistrato ad effetto di campo transistor mostra estremamente elevati on / off rapporti, fino a 10 6 -10 9 10,12,17,18,22. Pertanto, è fondamentale per comprendere le proprietà fondamentali elettriche del TMDs 2D emateriali alla rinfusa ir.

Tuttavia, studi sulle proprietà elettriche dei materiali strati sono stati parzialmente ostacolato a causa della difficoltà nel formare un buon contatto ohmico sui cristalli strato. Tre approcci, maschera ombra di deposizione (SMD) 23, la litografia a fascio di elettroni (EBL) 24,25, e focalizzato-Ion Beam (FIB) deposizione, 26,27 sono stati utilizzati per formare contatti elettrici sui nanomateriali. Poiché SMD genere comporta l'uso di una griglia di rame come maschera, la spaziatura tra i due elettrodi di contatto è prevalentemente maggiore di 10 micron. Diversamente EBL e FIB deposizione deposizione metallica di schiere di elettrodi su un substrato viene effettuata senza targeting o selezionando nanomateriali di interesse nel metodo SMD. Questo approccio non può garantire che i modelli in metallo sono depositati correttamente sui nanomateriali individuali come gli elettrodi. Il risultato del metodo SMD ha un elemento di fortuna. I metodi di deposizione EBL e FIB sono utilizzati nelmicroscopio elettronico a scansione di sistema (SEM); i nanomateriali possono essere osservati direttamente e selezionati per l'elettrodo di deposizione. Inoltre, EBL può essere utilizzato per fabbricare facilmente elettrodi metallici con uno spessore di linea ed un elettrodo di contatto spaziatura inferiore a 100 nm. Tuttavia, il residuo resist sulla superficie nanomateriale sinistra durante litografia comporta inevitabilmente la formazione di uno strato isolante tra l'elettrodo metallico e il nanomateriale. Così, EBL porta ad alta resistenza di contatto.

Il vantaggio principale di fabbricazione di elettrodi attraverso FIB deposizione è che porta a bassa resistenza di contatto. Poiché deposizione metallo viene eseguita dalla decomposizione di un precursore organometallico utilizzando un fascio di ioni nella zona definita, deposizione di metalli e bombardamento ionico si verificano simultaneamente. Ciò potrebbe distruggere all'interfaccia metallo-semiconduttore e prevenire la formazione di contatto Schottky. Bombardamento ionico può anche eliminare gli agenti inquinanti di superficie come Hydrocarbons e ossidi nativi, che diminuisce la resistenza di contatto. Ohmico fabbricazione contatto attraverso FIB deposizione è stata dimostrata per diverse nanomateriali 27-29. Inoltre, l'intera procedura di fabbricazione nell'approccio FIB deposizione è semplificata rispetto al EBL.

Come strato semiconduttori mostrano tipicamente altamente anisotropa conduzione elettrica, la conduttività nella direzione strato per strato è di diversi ordini di grandezza inferiore a quella nella direzione 30,31 nel piano. Questa caratteristica aumenta la difficoltà di fabbricare contatti ohmici e determinazione conduttività elettrica. Pertanto, in questo studio, FIB deposizione è stata utilizzata per studiare le proprietà elettriche di nanostrutture strato semiconduttore.

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Protocol

1. Caratterizzazione strutturale di Mose 2 Cristalli di livello (vedi punto 1 in figura 1)

  1. XRD Procedura di misurazione
    1. Montare un cristallo strato MOSE 2 (con la gamma di dimensioni 5 x 5 x 0,1-10 x 10 x 0,5 mm 3) o cristallo in polvere (che è stata miscelata con polvere di quarzo e legante ed è stato spalmato sul vetrino) sul supporto.
    2. Premere il supporto da un vetrino per garantire cristallo strato superficiale parallela alla superficie titolare.
    3. Caricare il supporto del campione nella diffrattometro.
    4. Chiudere le porte del diffrattometro.
    5. Calibrare linea di fascio di conseguenza le istruzioni del produttore.
    6. Parametri di misura di ingresso, come la gamma di scansione 2 (10-80 °), l'incremento (0.004 °), e il tempo di sosta (0,1 sec).
    7. Avviare il programma DIFFRAC.Measurement Center sul computer collegato alla diffrattometro e quindi salvare i dati e dati il ​​nome del file secondo il proto del produttorecol.
    8. Analizzare il modello XRD individuando le posizioni dei picchi di diffrazione usando il software e quindi confrontare con i dati dal database standard di carta JCPDS per confermare il singolo qualità fuori dal piano di orientamento e single-cristallina delle Mose 2 cristalli strato 32,33 .
  2. Micro-Raman Procedura di misurazione
    1. Eseguire la calibrazione attrezzature Raman utilizzando un wafer di silicio come campione di riferimento. La misurazione del silicio è la stessa della procedura di seguito descritta per gli interessati MoSE 2 strato cristallino.
    2. Montare un cristallo mose 2 strato sul vetrino.
    3. Caricare il vetrino sul supporto del microscopio ottico e concentrare la superficie del campione con una sorgente di luce bianca.
    4. Commutare la sorgente di luce da una luce bianca di un fascio laser (lunghezza d'onda a 514 nm).
    5. Parametri di misura di ingresso, quali la gamma di scansione numero d'onda (150-500 cm -1), l'integrTempo zione (10 sec), e il numero di volte di scansione (10-30 volte).
    6. Avviare il programma sul computer collegato alla spettrometro Raman e quindi salvare i dati e file di dati nome secondo il protocollo del produttore.
    7. Analizzare lo spettro Raman identificando la loro larghezza e posizioni utilizzando il software di punta e quindi confrontare con i dati standard da riferimenti per confermare il tipo di struttura cristallina e la qualità dei Mose 2 cristalli strato 34,35.

2. Realizzazione di Mose 2 layer Dispositivi nanocristalli

  1. Esfoliazione meccanica di cristalli di livello
    1. Pinzette pulite con acetone e alcol.
    2. Scegli i MOSE 2 cristalli strato (da 4 a 8 pezzi) con una superficie lucida (cioè specchio di cristallo faccia) e una dimensione un'area più grande di 0,5 x 0,5 mm 2 con le pinzette e metterle sul nastro a dadi con una dimensione di zona 20 x 60 mm 2.
    3. Piegare il nastro a metà per esfoliare il cristallo livello e ripetere l'azione di circa venti volte. Di solito i cristalli layer possono essere rimossi in molti cristalli di dimensioni micrometriche in larghezza (vedi punto 2 nella Figura 1).
    4. Caricare il nastro dadi con la polvere strato di nanocristalli nella camera SEM per osservare le dimensioni e morfologie di questi spogliato MoSE 2 strati microcristalli. Se le distribuzioni di larghezza dello strato di nanocristalli sono a 1-20 micron, la polvere di nanocristalli in grado di soddisfare i criteri per la fabbricazione del dispositivo.
  2. Dispersione dei nanocristalli di livello sul modello di dispositivo
    1. Posizionare il nastro dadi con lo strato di nanocristalli di polvere rovesciata sul modello dispositivo. Il modello è SiO 2 (300 nm) substrato di silicio Rivestiti con sedici pre-modellata Ti (30 nm) / Au (90 nm) elettrodi sulla superficie SiO 2 (vedere Fase 4 in Figura 1). La dimensione del modello area è 5 x 5 mm
    2. Toccare il nastro a dadi leggermente per fare alcuni nanocristalli (circa 10 a 100 pezzi) cadono sul modello.
    3. Controllare la densità numerica e condizioni dispersione del nanocristalli sul modello al microscopio ottico o talvolta da SEM se i nanocristalli dispersi non possono essere osservati al microscopio ottico. Di solito da 2 a 5 pezzi di nanocristalli (dimensioni dell'area più grande di 2 x 2 micron 2) dispersi sulla piazza centrale (con superficie di 80 x 80 micron 2) del modello senza sovrapposizioni tra loro sono la condizione migliore per la prossima lavorazione FIB .
  3. Fabbricazione di elettrodi da FIB
    1. Montare modelli sul supporto FIB con lo svolgimento di nastro di lamina di rame. Tipicamente, la zona di condurre il nastro di 3 x 2.4 cm 2 è stato richiesto per il montaggio 6-8 modelli.
    2. Caricare il supporto nella camera FIB.
    3. Evacuare la camera per il grado di vuoto fino a 10 -5 mbar facendo clic sul pulsante"Pompa".
    4. Impostare la corrente fascio elettronico (41 pA) e tensione di accelerazione (10 kV) per il modo SEM.
    5. Impostare la corrente del fascio ionico (0,1 nA) e tensione di accelerazione (30 kV) per il modo FIB.
    6. Riscaldare il sistema fascio di ioni e gas-injection-sistema (GIS) facendo clic sul pulsante "trave su" e il tasto "fredda" in blocco "di iniezione del gas", rispettivamente.
    7. Accendere il fascio elettronico facendo clic sul pulsante "Fascio On" e mettere a fuoco l'immagine con un basso ingrandimento di 100X.
    8. Impostare la distanza di lavoro z-assiale (WD) a 10 mm per la modalità SEM.
    9. Impostare l'ingrandimento a 5,000X e mettere a fuoco.
    10. Impostare l'angolo di inclinazione del supporto a 52 gradi facendo clic sul pulsante "Navigazione" e inserire l'angolo di inclinazione "52".
    11. Selezionare un livello nanocristalli MoSE 2 con un certo spessore (da 5 a 3000 nm) e rettangolare e forma quadrata per la fabrica dell'elettrodozione.
    12. Prendete le immagini SEM a diversi ingrandimenti (da 1,000X a 10.000X) del materiale incontaminato mirato prima di fabbricazione di elettrodi facendo clic sul pulsante "Snapshot".
    13. Passare alla modalità FIB e scattare una foto FIB dal modo snapshot per ridurre il tempo di esposizione del materiale mirato sotto fascio bombardamento ionico.
    14. Definire l'area di deposizione degli elettrodi, selezionare la modalità "Pt deposizione", e inserire lo spessore (0,2-1,0 micron) il valore dell'elettrodo Pt depositato.
    15. Introdurre il capillare del GIS nella camera facendo clic sulla casella "Pt dep" in blocco "di iniezione del gas".
    16. Riprendere un'immagine modalità foto e modificare la posizione degli elettrodi se il modello originariamente definito sposta leggermente.
    17. Accendere la deposizione FIB facendo clic sul pulsante "Start Patterning".
    18. Dopo la deposizione, disegnare il capillare del GIS indietro di Cliccando di la casella "Pt dep "nel" blocco di iniezione del gas ".
    19. Passare alla modalità SEM e controllare il risultato degli elettrodi Pt depositati sul nanocristalli livello.
    20. Prendete le immagini SEM a diversi ingrandimenti dei dispositivi completati con due o quattro elettrodi (vedi punto 3 nella figura 1).
    21. Impostare l'angolo di inclinazione del ritorno titolare di 0 gradi facendo clic sul pulsante "Navigazione" e inserire l'angolo di inclinazione "0".
    22. Prendere top-visto immagini SEM a diversi ingrandimenti per le stime della larghezza materiale e l'elettrodo interdistanza facendo clic sul pulsante "Snapshot".
    23. Spegnere le sistemi di travi a fascio elettronico e ion e raffreddare sistema GIS facendo clic sul pulsante "Raggio Off" e il pulsante "Warm" in blocco "di iniezione del gas", rispettivamente.
    24. Ventilare la camera con l'introduzione di azoto facendo clic sui pulsanti "Vent" e poi prendere il titolaredalla camera. Si richiede in genere da 5 a 10 minuti per completare il processo di sfiato.
    25. Chiudere la porta della camera e evacuare la camera.

3. caratterizzazioni dei MoSE 2 strati Dispositivi nanocristalli

  1. Misura spessore dei nanocristalli strato AFM
    1. Installare il cantilever AFM al titolare sonda.
    2. Accendere programma AFM e selezionare la modalità "ScanAsyst".
    3. Caricare il supporto sonda e collegarlo con il laser a diodi capo della stazione di AFM.
    4. Eseguire la calibrazione per allineare la posizione del raggio laser incidente ed il cantilever secondo il protocollo del produttore.
    5. Montare il campione (il chip modello con dispositivi strato di nanocristalli FIB-fabbricato) sul supporto del campione Cu nastro di alluminio.
    6. Caricare il supporto del campione alla stazione di AFM.
    7. Spostare il supporto del campione nella posizione di circa sotto il raggio laser o AFM cantilevER.
    8. Più in basso AFM a sbalzo per la posizione del fuoco mettendo a fuoco l'immagine microscopio ottico dello strato di nanocristalli.
    9. Parametri di scansione di input come l'area di scansione (6 x 6-30 x 30 micron 2), la frequenza (0.5-1.5 Hz), e la risoluzione (256-512 linee).
    10. Avviare il programma e salvare i dati in base al protocollo del produttore.
    11. Sollevare il cantilever AFM e prendere il supporto del campione fuori.
    12. Caricare il secondo campione e ripetere la procedura di misurazione descritto sopra, se necessario.
    13. Stimare lo spessore di nanocristalli di livello analizzando l'immagine e l'altezza del profilo AFM utilizzando il software "Nanoscope Analysis". Selezionare un profilo laterale altezza della immagine AFM e determinare il valore medio dello spessore dalla superficie appiattimento del profilo. (Vedi Figura 2d e 2e)
  2. Corrente rispetto alla tensione (IV) misurazione dei nanocristalli strato
    1. Montaredel campione (il chip modello con dispositivi strato di nanocristalli FIB-fabbricato) sul substrato di mica da Cu nastro di alluminio.
    2. Incollare i fili smaltati o fili Cu sugli elettrodi del chip da pasta Ag. (Vedere il punto 4 in Figura 1).
    3. Caricare il campione completato nella camera di stazione di sonda e fissarlo sul supporto campione Cu nastro di alluminio. La stazione della sonda criogenica si trovava in un ambiente buio. (Vedere il punto 5 in figura 1).
    4. Saldare i fili elettrici del campione e gli elettrodi di metallo della sonde uno per uno.
    5. Chiudere la camera superiore ed evacuare la camera fino a 10 -4 mbar. Raffreddare campione al 77 K con l'introduzione di azoto liquido nella stazione di sonda. Impostare l'intervallo di temperatura (in genere da 80 al 320 K), intervallo e tempo di sosta per il controllo della temperatura. (Necessario solo per la misura dipendente dalla temperatura).
    6. Impostare l'intervallo di ampia tensione applicata (tipicamente da -1 a 1 V), tensione di interval (0,01 V), e la corrente massima limitata (10 o 100 mA) in un elettrometro multifunzionale altissima impedenza per la misura a due terminali IV. Per la misura a quattro terminali, impostare l'attuale gamma ampia applicazione (tipicamente da -100 a 100 mA) e l'intervallo di corrente (1 μA).
    7. Avviare il programma e salvare i dati IV a temperatura ambiente oa differenti temperature.
    8. Aprire il coperchio della camera se necessario e prelevare il campione dalla camera.
    9. Caricare il secondo campione, se necessario e ripetere la procedura sopra descritta.
    10. Analizzare la curva IV tracciando la corrente misurata contro dati di tensione applicata utilizzando il software. Montare la curva IV selezionando la funzione di montaggio lineare. Controllare la linearità della curva IV e ottenere il valore di pendenza (cioè valore di conduttanza). (Vedi punto 6 in figura 1).
    11. Ripetere il Passo 3.2.10 per le curve IV measured a temperature diverse in caso di necessità.
    12. Calcolare il valore di conducibilità (σ) secondo l'equazione σ = G (t / tw) adottando i parametri ottenuti da IV, SEM, e misure AFM compreso conduttanza (G), lo spessore (t), la larghezza (w) e la lunghezza ( l) dello strato di nanocristalli.
    13. Tracciare le curve dei valori di conduttanza e conducibilità rispetto spessore di strato nanocristalli.

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Representative Results

I valori determinati per la conduttanza elettrica (G) e conducibilità (σ) di nanomateriali Layer diversi spessori sono altamente dipendenti dalla qualità dei contatti elettrici. I contatti ohmici del MoSE due terminali-FIB-deposizione fabbricato 2 dispositivi sono caratterizzati misurando la corrente-tensione (I - V) Curva. La temperatura ambiente I - V curve per i due terminali mose 2 dispositivi nanoflake con diversi spessori sono mostrati in figura 2a. I I - V curve seguono una relazione lineare. Questo conferma la condizione di contatto ohmico dei MoSE 2 dispositivi.

. Dispositivi parziali con quattro elettrodi sono stati fabbricati per escludere ulteriormente l'effetto potenziale della resistenza di contatto Figura 2b illustra il tipico I - curve V misurato da due electrode e quattro elettrodi metodi a temperatura ambiente per la stessa nanoflake con uno spessore a 33 nm. I valori σ calcolati per le misurazioni due sonde e quattro sonde sono a 117 e 118 Ω - 1 cm - 1, rispettivamente. Poiché i valori σ calcolati utilizzando due sonde e quattro sonde misurazioni per gli stessi dispositivi sono molto simili, l'influenza della resistenza di contatto sui valori determinati G e σ in questo studio era trascurabile. Figure 2c e 2d illustrano rappresentante campo emissioni microscopio elettronico a scansione (FESEM) le immagini dei due terminali e quattro terminali Mose 2 dispositivi, rispettivamente. Gli spessori delle Mose 2 nanoflakes sui dispositivi sono stati stimati usando la microscopia a forza atomica (AFM) misurazioni; una misurazione del campione è illustrata nelle figure 2e e 2f.

L'interfaccia metallo-semiconduttore del contatto elettrico nelle MOSE 2 dispositivi è stata ulteriormente esaminata usando ad alta risoluzione, microscopia elettronica a trasmissione (HRTEM), area selezionata elettrone diffrattometria (Saed), e la spettroscopia a raggi X (EDX) energia dispersivo. Figura 3a mostra l'immagine della sezione trasversale microscopia elettronica a trasmissione (TEM) dell'interfaccia Pt / MoSE 2. L'immagine mostra che si è formato uno strato di lega (25-30 nm) tra Pt e MOSE 2 a causa del fascio ionico bombardamenti. Immagini HRTEM dell'interfaccia lega / Mose 2 (Spot 4, figura 3b) e la regione MOSE 2 (punto 3, figura 3c) mostrano una lega amorfa formata sulla superficie del cristallo singolo MOSE 2.

Lo spettro EDX e il tipo di suoneria di Saed nella figura 3d dimostrare che Pt è il principale costituente e che l'elettrodo metallico ha una struttura policristallina. Misure simili, Mostrato nella Figura 3e, indicato una lega ionico bombardati con una struttura amorfa simile e contenente una miscela di Mo, Se, Pt e con un rapporto di 2: 4: 1. Il singolo-cristallo mose 2 nanoflake è stata ulteriormente confermata dalle misure EDX e Saed, che vengono mostrati in figura 3f.

Per il contatto ohmico fabbricato utilizzando il metodo di deposizione FIB, in MOSE 2 nanostrutture multistrato con spessori diversi, il G e valori σ può essere determinato con precisione. Figura 4 mostra i valori G statistici per i Mose 2 nanoflakes con diversi spessori. Si può osservare che il valore G non mostra un cambiamento osservabile o cambiamenti di spessore più di due ordini di grandezza. Questa osservazione è opposto a previsioni teoriche, secondo cui G è linearmente dipendente dallo spessore (t) per un flusso di corrente uniforme ed è wrItten come

Equazione 1

Dove A è l'area per il trasporto di corrente, e l, w, e t sono la lunghezza, la larghezza e lo spessore del conduttore, rispettivamente.

. Il valore σ può essere ottenuto usando l'equazione (1) Figura 4b mostra la conducibilità in funzione dello spessore - t). Il valore di aumenti σ di oltre due ordini di grandezza, da 4,6 a 1.500 Ω - 1 cm - 1 quando t diminuisce da 2.700 a 6 nm. Un inversa legge di potenza σ ∞ t - β si ottiene, in cui il valore di β attrezzata è 0.93. I valori di S (0,1-1 Ohm - 1 cm - 1) 36-38 (t: 10-100 micron) sono anche situato sulla linea montato.

In linea di principio, σ è una proprietà intrinseca senza effetti dimensione. La forte dipendenza spessore σ implica che la conduzione di corrente si verifica principalmente in corrispondenza della superficie del materiale dello strato MoSE 2. Se il percorso di conduzione superficie è di diversi ordini di grandezza superiore alla massa, il valore G non aumenta e diventa una costante, anche se lo spessore aumenta.

Figura 1
Figura 1:. Procedura per la fabbricazione del dispositivo e caratterizzazione elettrica di Mose 2 nanoflakes Fase 1: caratterizzazioni morfologiche e strutturali del MOSE 2 rinfusa cristalli strati da XRD e spettroscopia Raman. Passo 2:Esfoliazione meccanica di cristalli strato massa da taglio a cubetti nastro e osservare la morfologia dei fiocchi spogliato da FESEM. Fase 3: fabbricazione di elettrodi di nanoflakes da FIB Pt deposizione. Fase 4: Completa il dispositivo montando chip campione sul substrato di mica e wire bonding smaltato sugli elettrodi del chip da pasta Ag. Fase 5: carico campione nella stazione della sonda criogenica. Passo 6: Eseguire I - misurazione V e analizzare i dati.

Figura 2
Figura 2: I - Curva V, FESEM e misure AFM per due e quattro terminali MOSE dispositivi 2 nanoflake (a) I - V curve misurate con il metodo a due sonde a temperatura ambiente per i Mose 2 nanoflakes.con differenti spessori a 11, 240 e 1300 nm. (B) i I - V curve rilevate dalle due sonde e quattro sonde metodi a temperatura ambiente per un nanoflake Mose 2 con uno spessore di 33 nm. Le immagini FESEM rappresentativi di (c) i due terminali e (d) i quattro terminali mose 2 dispositivi prodotti da approccio FIB. (E) Un tipico AFM e (f) la sua altezza profilo in sezione trasversale lungo la linea blu in (e) per un dispositivo MOSE 2 con lo spessore a ~ 60 nm. (Ristampato con permesso da Ref. 28, Copyright @ L'IOP Publishing Ltd.)

Figura 3
Figura 3: HRTEM, Saed, e EDX analisi per la Pt / MOSE 2 interfaccia nel dispositivo (. a) L'immagine TEM della sezione trasversale del / MOSE interfaccia 2 Pt semiconduttore metallo nel dispositivo MOSE 2 nanoflake (t ~ 110 nm) fabbricato da approccio FIB. Le etichette numeriche indicano le diverse regioni di sondaggio per HRTEM, Saed, e EDX analisi. 1: Pt elettrodo metallico, 2: regione ionico bombardati lega, 3: Mosè 2 strati, e 4: lega / Mosé interfaccia 2. L'immagine di HRTEM (b) l'interfaccia della lega / MOSE 2 (punto 4) e (c) il 2 regione MOSE (punto 3). Gli spettri EDX ei corrispondenti modelli per Saed (d) l'elettrodo Pt (punto 1), (e) la regione della lega (posto 2), e (f) il MOSE 2 nanoflake (spot 3), rispettivamente. (Ristampato con permesso da Ref. 28, Copyright @ L'IOP Publishing Ltd.)

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Figura 4:. Conducibilità Spessore-dipendente MOSE 2 nanoflakes (a) La conduttanza elettrica e (b) il grafico log-log dei valori di conducibilità elettrica per la nanoflake Mose 2 con diversi spessori varia da 6 a 2.700 nm misurato da due Sonda (stella solido blu) e quattro-sonda (blu aperto stelle) metodi. I valori di conducibilità delle Mose 2 cristalli bulk ottenuti dalle nostre misurazioni (verde cerchio aperto) e dai riferimenti sono anche tracciate per il confronto. Il MoSE 2 bulks senza le informazioni spessore gli arbitri. 32, 33, 34 si presume essere superiore a 10 micron e loro livelli di conduttività sono rappresentati da frecce verdi. La linea tratteggiata rossa è la linea adatta per la conducibilità rispetto a dati di spessore dei MoSE 2 nanoflakes. (Ristampato con permesso da Ref. 28, Copyright @ L'IOP Publishing Ltd.)

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Discussion

La determinazione accurata del valore σ e la sua dipendenza dimensione nanocristalli strato è altamente dipendente dalla qualità dei contatti elettrici. Il metodo utilizzato per la FIB di deposizione elettrodo metallico deposizione giocato un ruolo cruciale durante lo studio. Secondo elettrica, analisi strutturale, e la composizione, la realizzazione di contatti ohmici stabili ed altamente riproducibili, utilizzando il metodo FIB deposizione nelle MOSE 2 o MoS 2 dispositivi è stata facilitata dalla formazione della lega conduttiva amorfa tra il metallo Pt e MOSE 2 strato semiconduttore. La struttura della lega difettoso sulla superficie mose 2 che mostra una elevata densità vettore potrebbe efficacemente minimizzare l'effetto del contatto Schottky. I contaminanti superficiali dei semiconduttori, quali ossidi e idrocarburi native, che sono generalmente considerati provenire dallo strato isolante tra il metallo ed i contatti semiconduttori, Possono essere eliminati fascio bombardamento ionico. L'eliminazione può spiegare la bassa resistenza di contatto nei dispositivi a cristalli strato-FIB-deposizione fabbricato.

Sebbene il metodo di deposizione FIB sperimentale fornisce contatti ohmici affidabili per la fabbricazione di nanostrutture dell'elettrodo strato semiconduttore, la distanza minima tra gli elettrodi metallici era limitata. È stato regolato ad essere superiore a 1 micron di questo studio. La ragione principale per la limitazione è che l'elettrodo metallico FIB-depositato non ha bordi chiari e pareti laterali taglienti a causa della distribuzione gaussiana del flusso fascio ionico in direzione radiale. La mancanza di spigoli e bordi taglienti chiari può provocare la contaminazione della superficie del materiale e un corto circuito elettrico se due elettrodi sono depositati troppo vicini tra loro (tipicamente più vicino a 500 nm).

Inoltre, l'elaborazione materiale nell'ambiente fascio ionico inevitabilmente danneggia la superficie del materiale, leading a un cambiamento nelle proprietà del materiale intrinseche. Per evitare possibili danni alla superficie del materiale da parte del fascio di ioni durante FIB deposizione, abbiamo cercato di ridurre al minimo il tempo di esposizione fascio di ioni. Tipicamente, la maggior parte delle fasi del procedimento (compresa la selezione nanocristalli idonei, mappando la posizione, e la registrazione di immagini) sono stati inizialmente eseguita in modo SEM; Successivamente, la modalità è stata commutata alla modalità FIB. Pertanto, la superficie del campione è stato esposto al fascio di ioni per un tempo notevolmente breve (nella modalità foto), che corrisponde al tempo necessario per il funzionamento in modalità FIB per identificare il Pt aree depositato. Inoltre, la protezione superficiale può essere fornita da un materiale organico rivestimento isolante (ad esempio bathocuproine) sullo strato di nanocristalli prima FIB deposizione (non menzionato nel protocollo).

EBL, che è il metodo più utilizzato, può fornire una distanza molto più piccolo tra gli elettrodi (più corta di 100 nm) rispetto FIBdeposizione. Possibili danni ai materiali studiati può essere evitato utilizzando EBL. Tuttavia, EBL richiede l'utilizzo di un resist. Poiché la completa rimozione del resist rivestita sulla superficie del materiale è difficile, il residuo resist può causare alta resistenza di contatto tra il metallo ed il materiale di contatto studiata. Questo problema si riduce la resa di contatti ohmici considerevolmente e ostacola l'uso di EBL come metodo di fabbricazione microelettrodo. Pertanto, la tecnica FIB può essere una buona scelta per microelettrodo fabbricazione di contatto ohmico affidabile e riproducibile in aggiunta a EBL.

Tuttavia, in questo studio, lo spessore minimo di Mose 2 strato di materiale raggiunge solo 6 nm (circa 9-10 monostrati). La qualità contatto elettrico per i materiali di strato ultrasottile con spessore inferiore a 5 monostrati è ancora sconosciuta. Si prevede che l'area di contatto nei materiali strato ultrasottile può essere totalmente legato perché la lega Pt-Mo-Sespessore (25-30 nm) indotta dal bombardamento ionico è superiore allo spessore del materiale. Ulteriore lavoro è ancora necessario elaborare l'effetto della lega sulla proprietà contatto ohmico con approccio FIB.

In realtà, il metodo FIB di deposizione è stato sviluppato principalmente per la fresatura o incisione sul materiale micrometriche e nanometriche scale. Deposizione del metallo è solo un uso prolungato del metodo di rivestimento o la protezione di superfici di materiali. Tuttavia, in questo rapporto, il metodo di deposizione FIB è stato adottato per la fabbricazione ohmico contatto in nanostrutture strato semiconduttore. L'osservazione dell'effetto spessore sulle proprietà di trasporto di tali nanomateriali 2D è stata facilitata dall'utilizzo del metodo di deposizione FIB. Fabbricazione di elettrodi al micrometro o submicrometriche scala affidabili ohmico qualità contatto è stata una sfida, ed è fondamentale per una varietà di applicazioni, come caratterizzazione elettrica fondamentale dei nanomateriali, l'eliminazione di contatto resistanza per il trattamento di dispositivi elettronici, e metallizzazione locale delle superfici dei materiali. La dimostrazione di microelettrodi fabbricazione sui nanomateriali di livello con il metodo di deposizione FIB può servire da riferimento fondamentale e utile per i futuri ricercatori e ingegneri del mondo accademico e l'industria.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
HRTEM&SEAD FEI (http://www.fei.com/products/tem/tecnai-g2/?ind=MS) Tecnai™ G2 F-20
SEM&EDS HITACHI (http://www.hitachi-hitec.com/global/em/sem/sem_index.html) S-3000H
FIB FEI (http://www.fei.com/products/dualbeam/versa-3d/) Quanta 3D FEG
AFM BRUKER (http://www.bruker.com/products/surface-analysis/atomic-force-microscopy/dimension-icon/overview.html) Dimension Icon
XRD Bruker (https://www.bruker.com/products/x-ray-diffraction-and-elemental-analysis/x-ray-diffraction/d2-phaser/learn-more.html) D2 PHASER X-ray Diffractometer
Raman Renishaw (http://www.renishaw.com/en/renishaw-enhancing-efficiency-in-manufacturing-and-healthcare--1030) inVia Raman microscope system
Keithley-4200 keithley (http://www.keithley.com.tw/products/dcac/currentvoltage/4200scs) 4200scs
ultralow current leakage cryogenic probe station Lakeshore Cryotronics (http://www.lakeshore.com/) TTP4
copper foil tape 3M (http://solutions.3m.com/wps/portal/3M/en_US/Electronics_NA/Electronics/Products/Product_Catalog/~/3M-Copper-Foil-Shielding-Tape-1182?N=4294300025+5153906&&Nr=AND%28hrcy_id%3A8CQ27CX0WMgs_F2LMWMM6M6_N2RL3FHWVK_GPD0K8BC31gv%29&rt=d) 1182
Ag paste Well-Being (http://www.gredmann.com/about.htm) MS-5000
Cu wire Guv Team (http://www.guvteam.com) ICUD0D01N
dicing tape Nexteck (http://www.nexteck-corp.com/tw/product-tape.html) contact vender
mica Centenary Electronic (http://100y.diytrade.com/sdp/307600/4/pl-1175840/0.html) T0-200
enamel wire Light-Tech Electronics (http://www.ltc.com.tw/product_info.php/products_id/57631) S.W.G #38

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References

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Ingegneria Numero 106 fascio concentrato di litio (FIB) contatto ohmico strato semiconduttore di molibdeno diselenide (MOSE Bisolfuro di molibdeno (MoS Conducibilità elettrica microscopia a forza atomica (AFM) ad alta risoluzione microscopia elettronica a trasmissione (HRTEM) area selezionata elettrone diffrattometria (Saed) spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX)
Ohmico Fabrication contatto con una tecnica Focused Ion Beam-e caratterizzazione elettrica per strato semiconduttore Nanostrutture
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Chen, R. S., Tang, C. C., Shen, W.More

Chen, R. S., Tang, C. C., Shen, W. C., Huang, Y. S. Ohmic Contact Fabrication Using a Focused-ion Beam Technique and Electrical Characterization for Layer Semiconductor Nanostructures. J. Vis. Exp. (106), e53200, doi:10.3791/53200 (2015).

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