Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Elektrik alanı kontrol elektronik elektrolit çoğunluğuna tarafından WS2 Nanodevices durumlarda

Published: April 12, 2018 doi: 10.3791/56862
Automatic Translation
1, 1, 2, 3,4, 1, 5, 1, 1,5
1Quantum-Phase Electronics Center (QPEC) and Department of Applied Physics, The University of Tokyo, 2Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, 3Institute of Scientific and Industrial Research, Osaka University, 4Max Planck Institute for Solid State Research, 5RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS)

Summary

Burada, katı taşıyıcı sayısında elektrolit kullanarak denetlemek için bir iletişim kuralı mevcut.

Abstract

Elektrolit çoğunluğuna tarafından taşıyıcı numara kontrolü yöntemi gösterilmiştir. Biz WS2 yolu ile bant yöntemi ya da bireysel WS2 nanotüpler atomik düz yüzeyli ince ince tabakalar WS2 nanotüpler süspansiyon dağıtıcı maddeler tarafından elde etmiş olursunuz. Elektron ışını litografi kullanılarak seçilen örnekleri içine aygıt fabrikasyon ve elektrolit aygıtlarda koymak. Kapı gerilim uygulama altında cihazların elektronik özellikleri nitelendirmiştir. Küçük kapı gerilim bölgesinde, elektrolit iyonu arayüzü doping büyük elektrik potansiyel damla ve sonuç Elektrostatik taşıyıcı yol açan örnekleri yüzeyi biriktirilir. Ambipolar transfer eğrisi Elektrostatik bu doping bölgede gözlenmiştir. Gate gerilimi daha da arttı, biz hangi iyonları WS2 katmanlara ara ve elektrokimyasal taşıyıcı doping fark da anlaşılacağı üzere bu kaynak tüketen mevcut başka bir ciddi artış bir araya geldi. Böyle elektrokimyasal doping bölgede üstüniletkenlik gözlenmiştir. Odaklı teknik elektrik-under-indüklenen kuantum faz geçiş ulaşmak için güçlü bir strateji sağlar.

Introduction

Sağlayıcının numarasını kuantum faz geçişi katı1anahtar için teknik denetimidir. Geleneksel alan etkili transistör (FET), sağlam kapı1,2kullanımı ile elde edilir. Bu indüklenen taşıyıcısı numarası arayüz 1a rakamgösterilen sınırlı, bu yüzden böyle bir cihazın elektrik potansiyel degrade Dielektrik malzeme Tekdüzen.

Öte yandan, biz iyonik jelleri/sıvı ya da polimer elektrolit3,4,5,6ile katı Dielektrik malzemeleri değiştirerek daha yüksek taşıyıcı yoğunluğu arabirimi veya toplu elde edebilirsiniz, 7,8,9,10,11 (Şekil 1b). Elektrostatik iyonik sıvı kullanımı ile doping, elektrikli çift katmanlı transistör (çeviri) yapısı güçlü elektrik alan üreten örnek arasındaki iyonik sıvı arayüzü oluşturulur (> 0,5 V/Å) düşük önyargı voltaj, bile. Sonuç yüksek taşıyıcı yoğunluğu (> 1014 cm-2) arabirimi10,12,13 neden romanı elektronik özellikleri veya kuantum faz geçiş gibi indüklenen elektrik alan bağlı ferromagnetism14, Coulomb abluka15, ambipolar taşıma16,17,18,19,20, 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, p-n kavşak ve sonuç electroluminance28,29,30, termoelektrik güçler31,32, büyük modülasyon gider yoğunluk dalgası ve Mott33,34,35geçişler ve elektrik alan-kaynaklı yalıtkan-metal elektrik alan bağlı üstüniletkenlik9 dahil olmak üzere36,37 geçiş ,10,11,38,39,40,41,42,43,44 ,45,46,47,48,49.

Elektrolit (şekil 1 c) çoğunluğuna iyonları yalnızca arabirim formuna çeviri birikmiş değil, ama aynı zamanda büyük bir kapı gerilim uygulama altında zarar verici örnek olmadan termal Difüzyon yolu ile iki boyutlu malzemelerin katmanlara ara, elektrokimyasal doping8,9,11,34,38,50,51,52için,53 önde gelen . Böylece, büyük ölçüde sağlam kapı kullanarak geleneksel alan etkili transistör göre sağlayıcının numarasını değiştirebilirsiniz. Özellikle, elektrik alan bağlı üstüniletkenlik9,11,34,38,50 büyük taşıyıcı bölgede elektrolit perdeleme kullanılarak gerçekleştirilmektedir numarası nerede geleneksel katı perdeleme yöntemiyle erişemiyor.

Bu makalede, biz transistör işlemi ve elektrik alan bağlı üstüniletkenlik yarıiletken WS içinde taşıyıcı numara kontrolü katılar ve genel bakış bu benzersiz teknik tanıtmak2 örnekleri WS2 pul ve WS2 gibi nanotüpler54,55,56,57.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. WS 2 nanotüpler (NTs) substrat dağılımı

  1. WS2 NT tozlar sonication için 20 min tarafından izopropil alkol (IPA, konsantrasyon % 99.8 daha fazla) (yaklaşık 0.1 mg/mL) uygun seyreltilmiş oranıyla içine dağıtmak.
    Not: Uzun süredir sonication düzgün askıya alınmış IPA sıvı ve amorf WS2 ayrı iyi biçimlendirilmiş bireysel WS2 NTs veya diğer junks WS2 NTs yapmak gibi WS2 üzerinde NTs biriken çöp çıkarmak için yardımcı olur yüzey. Şekil 2b WS2 NTs son süspansiyon gösterir. Süspansiyon sonication işlemi sırasında kadar ısıtılır beri her 5 dk sonication durdurmak ve sonication 1 dk sonra devam etmek iyidir.
  2. WS2 NTs substrat dağıtmak için spin-kaplama yordam.
    1. Spin-coater makine ve vakum pompası başlayın. Si/SiO2 koymak (3000 Å) substrat (1 cm x 1 cm) chuck ve vakum pompa ile tarafından hız 80 L/min düzeltme Merkezi ve son 20 kPa baskısı.
      Not: Vakum pompası bağlanma chuck merkezinde yer alan bir delik olduğunu, böylece substrat vakum basıncı ile sabittir (hız pompalama 80 L/dak ve nihai basınç 20 kPa). Vakum basıncı pompa bağlı olarak farklı olabilir.
    2. İlgili parametreleri yordam spin-coater makine kontrol paneli tarafından ayarlayın.
      Not: Spin-kaplama işlemi sırasında üç adım vardır: (1) yavaş yavaş hız ilâ 500 rpm ilk 3 içinde s, (2) hızla 4000 rpm hız ve 50 s, (3) yavaşlatmak ve durdurmak için son 3 iplik devam s. Bu parametreler spin-coater kullanımına bağlı olarak farklı olabilir.
    3. Bir damlacık (yaklaşık 0,01 mL) substrat tam süspansiyon tarafından kaplı kadar (1. 1 ') bir pipet substrat üzerine tarafından yapılan WS2 NT süspansiyon koymak (yoksa, daha fazla damlacıkları koymak). Sonra başlangıç spin-kaplama ile ilgili parametreleri (1.2.2).

2. bant yöntemi ile yüzey üzerinde ince pul hazırlanması

  1. Küçük toplu örnek WS2 (kimyasal buharı taşıma yöntemi yetiştirilen) İskoç teyibini koymak. İskoç teyibini pas ve yavaş yavaş toplu üzerinden ince bir tabaka mekanik pul pul dökmek için açılmak. Pullu örnekler yeterince ince kadar birkaç kez için bu yordamı yineleyin.
    Not: Resim 2 g ve 2 h küçük toplu örnek WS2 ile ilk bandı ve son teyp birden fazla katlama yordamlar sonra sırasıyla gösterir.
  2. İskoç teyibini substrat üst baş aşağı yapıştırın, biraz bant basın ve dikkatle substrat tepesinden bandı çıkarın.
    Not: kaset kaldırdıktan sonra orada birçok ince pul substrat yaptı.

3. cihaz imalat elektron ışını litografi tarafından.

  1. Spin-kaplama işlemi için elektron ışını litografi resist kapsayacak.
    1. (1.2.1) açıklanan yordamın aynısını spin-kaplama ve (1.2.2) izleyin.
    2. Substrat tam PMMA ile kaplı kadar bir damlacık (yaklaşık 0,04 mL) tarafından bir pipet polimetil metakrilat (PMMA) substrat koy. Düzgün havaya maruz önlemek için WS2 örnek üzerinde PMMA kapsayacak şekilde spin-kaplama işlemi başlatın.
      Not: PMMA direnir elektron ışını litografi için biridir.
    3. Spin-kaplama sonra substrat 180 ° c sıcak plaka koymak ve 1 dk. için ısı.
      Not: Bu parametreler resist türlerine bağlı olarak farklı olabilir.
  2. Optik mikroskobu tarafından örnek seçimi.
    1. Optik mikroskobu ve kamera başlayın. Belgili tanımlık substrate sahneye koydu.
    2. Sahne taşımak ve substrat uygun büyütme (20 X) ile tüm bölge inceden inceye gözden geçirmek ve bu arada, izole örnekleri ile uygun boyutu seçin.
      Not: Toplam, 6-10 izole örnekleri genellikle 1 cm x 1 cm her yüzey için seçilebilir.
    3. Her seçili örnek 5 X, 20 X ve 100 X farklı büyütme ile fotoğraf çekmek. Bu fotoğrafları her örnek konumunu tanımlamak için kullanılır.
  3. Büyük ölçekli aygıt desen tasarımı.
    1. AutoCAD yazılımı etkinleştirmek ve substrat kafes biçiminde yükleyin. (3.2) çekilen fotoğraflar takın ve boyutunu ve konumunu her fotoğraf belgili tanımlık substrate izleri bağlı olarak tanımlar.
    2. Uzunluğu 1200 µm ile büyük bir kare ve her örnek çevreleyen 300 µm uzunluğu ile küçük bir kare ekleyin.
    3. Güzel yapıları örnek yakınındaki dışında büyük meydanda kapısı, kaynak, drenaj ve diğer yastıkları dahil olmak üzere büyük ölçekli desen tasarım. Tasarım küçük işaretleri kapatmak tam olarak daha sonra işlemi için küçük ölçekli aygıt desen tasarım örneklerinde konumunu belirlemek için örnek.
    4. (3.3.2) (için 3.3.3) her örnek için yineleyin.
    5. Her büyük ve küçük bir kare merkezinin koordinatlarını sırasıyla kaydedin.
    6. Eklenen fotoğraflar, büyük ve küçük kareler ve substrat kafes biçimi, sadece tasarlanmış büyük desenler ve küçük işaretleri bırakarak silin. Büyük desen ve küçük işaretleri sırasıyla dxf dosyaları olarak dışa aktarın.
  4. İlk elektron ışını litografi.
    1. Belgili tanımlık substrate sahneye koydu ve tamir ve sahne elektron ışını litografi makinesi Ana odanın içine yerleştirin.
    2. ECA programı (elektron ışını işleminde kullanılan bir dosya oluşturmak için bir program) etkinleştirin. Alan boyutu küçük işaretleri litografi için 300 olarak ayarlayın. Aracı dxf Converter dxf dosya hücre dosyasına aktarmak için kullanın.
    3. (3.4.2) oluşturulan hücre dosya yüklemek, dosya adı girin, kaynağını tanımlayabilir ve küçük kareler (3.3.5) kaydetti koordinatlarla noktalarını belirlemek. Son olarak, büyük a koordinatları belirlemek ve B işaretleri ve küçük A ve B her bir nokta için işaretler.
      Not: Büyük A ve B işaretleri sahne, küçük A ve B ise yönünü düzeltmek için kullanılan işaretleri tasarlanmış desen ve yazdırılan deseni, arasında uyumsuzluk küçük ölçekli desen tasarım işlemi sırasında tanımlamak için kullanılır.
    4. Con dosyası olarak kaydedin ve basınç ana odaya içinde 5 x 10-5 PA alt tamamlanana kadar bekleyin
      Not: yüksek enerjili elektron ışını olduğu için (50 kV hızlanan gerilim), vakum yüksek kalite gereklidir.
    5. Ana odaya baskısı düşük olduğunda elektron ışını Taş baskı işlemi için yeterli elektron ışını denetim programı ESL-7500 etkinleştirin ve daha sonra üzerinde elektron silahıyla açmak.
    6. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) üzerinde açmak ve sahne substrat içinde belgili tanımlık perde nerede konuma taşımak. Parlaklık, kontrast ve odak ayarlamak.
    7. Büyük A ve B göreli konumuna bakılırsa tarafından sahne açısını ayarlamak yön hatadır 5000 X büyütme oranında ihmal edilebilir kadar substrat tasarlanan işaretleri. Sahne yönünü düzelttikten sonra büyük konumunu bir işareti kayıt.
    8. Elektron ışını litografi için genliği ayarla; 100 pA küçük işaretleri litografi için var. Sahne genlik ayarlama için konuma taşımak ve kamera spot modunu seçin, amper metre tarafından 100 pA ulaşıncaya kadar elektron ışını genliği değiştirmek. Elektron ışını genliği ayarladıktan sonra parlaklık, kontrast ve odak ayarlamak.
    9. ECA programda kaydedilen yük con dosyayı (3.4.4) içinde. Ayarla ilgili parametreleri: 2 doz zaman ve alan boyutu için 300 s. Son olarak maruz kalma süreci başlar.
      Not: Doz zaman resist bağlı olarak farklı olabilir.
    10. Elektron ışını denetim programı ESL-7500, 5000 X büyütme ayarlayın ve sahne bir işareti büyük kayıtlı konuma getirin. Büyük A ve B konumunu onaylayın işaretleri.
    11. 30000 X büyütme ayarla ve küçük A ve B konumunu (3.3.3) tasarlanmış ilk küçük işaretleri litografi için işaretler onaylayın.
      Not: litografi küçük uygun işaretler ve birkaç saniye sürer sonra başlar.
    12. Litografi bitirdikten sonra tüm örnekleri için bu yordamı yineleyin. En sonunda, pozlama süreç çıkmak ve ECA programı kapatın.
    13. (3.3.3) tasarlanmış büyük desen litografi için farklı parametrelerle (3.4.10) için (3.4.2) üzerinden aynı süreci izler. (3.4.2), alan boyutu 1200 ayarlayın. (3.4.3), yalnızca büyük A ve B koordinatlarını tanımlar işaretler küçük A ve B hariç işaretleri. (3.4.8), elektron ışını genliği büyük desen litografi için 1000 pA olarak ayarlayın. (3.4.9), 1200, alan boyutu seçin.
      Not: (3.4.10) süreci sonra büyük desen litografi başlar ve birkaç saat sürer.
    14. Sahne alanı özgün konuma taşımak büyük desen litografi bitirdikten sonra elektron ışını açmak ve pozlama işlem ve ECA programın çıkın. Ana odaya açmak ve belgili tanımlık substrate.
  5. İlk geliştirme.
    1. Metil İzobütil keton (MIBK) bir çözüm olun ve IPA MIBK oranı: IPA = 1:3. Belgili tanımlık substrate çözüm için 30 daldırma s ve IPA sıvı tarafından yıkayın ve azot silah tarafından kuru.
      Not: zaman gelişmekte olan sıcaklık ve nem gibi çevresel koşullara bağlı olarak değişebilir.
    2. 5 X, 20 X ve 100 X farklı büyütme ile her Yazdırılan deseni için optik mikroskobu ile fotoğraf çekmek.
  6. Küçük ölçekli aygıt desen tasarımı.
    1. (3.3) içinde aynı işlemi uygulayın. (3.3.1), substrat kafes tasarlanmış küçük işaretleri (3.3.3) içine dahil olmak üzere desen yük ve ilk geliştirme sonra çekilen fotoğraflar ekleyin.
      Not: Her fotoğraf konumunu ve boyutunu bağlıdır (3.3.3), tasarlanmış küçük işaretleri yerine substrat izleri.
    2. Kaynak, drenaj ve diğer elektrotlar yazdırılan büyük desen için bağlı bir salon bar yapılandırma küçük meydanlarda aygıt desenle güzel yapısını tasarlama. Tüm aygıtlar için küçük desenleri tasarladıktan sonra küçük kareler koordinatlarını kaydedin.
    3. Eklenen fotoğraf, küçük kareler ve substrat desen, sadece tasarlanmış küçük desen bırakarak silin. Küçük desen dxf dosyası olarak verin.
  7. İkinci elektron ışını litografi.
    1. Litografi (3.6); tasarlanmış küçük desen için aynı parametrelerle (3.4.1) üzerinden aynı işlemi (3.4.11) için kullanır alan boyutu için 300 ayarlayabilir ve elektron ışını genliği için 100 pA seçebilirsiniz.
      Not: Litografi işlemi her küçük deseni için birkaç dakika sürer.
    2. Küçük desen litografi sonra sahne alanı özgün konuma taşımak elektron ışını açmak, pozlama süreç çıkmak ve ECA programı kapatın. Ana odaya açmak ve belgili tanımlık substrate.
  8. İkinci geliştirmek.
    1. (3.5) aynı işlemde 30 gelişmekte olan aynı zamanda takip s.
    2. Her model farklı büyütme 5 X, 20 X ve 100 X ile optik mikroskobu ile fotoğraf çekmek.

4. elektrotlar birikimi

  1. Altın elektrotlar birikimi.
    1. Substrat substrat tutucu üzerinde düzeltmek, substrat tutucu transfer çubuk üzerinde koymak ve Evaporatör Ana odanın içine yerleştirin. Substrat tutucu dönen başlatın.
    2. İlk para yatırma Cr 5 nm kalınlıkta yapışma katmanı olarak. Ana odaya içinde baskısı 10-4 Pa olduğunda, yüksek gerilim kaynağı açın.
    3. Elektron silahıyla boş akım sabit hızlanan voltaj 4 ile dikkatli bir şekilde artış kalınlığı İzleyicisi tarafından ölçülen yatırma oranı 0.5 Å/s hakkında kararlı hale gelinceye kadar kV, (genellikle yaklaşık 5 Cr önceden buharlaşır nm).
    4. Objektif kapağı açın ve Cr 5 ulaşıncaya kadar mevduat nm kalınlıkta. Panjurları kapa, yavaş yavaş elektron silahıyla boş sıfıra geçerli azaltmak ve yüksek gerilim kaynağı açın.
    5. Daha sonra uygun kalınlıkta Au Kasası. Geçerli kaynak açmak ve yavaş yavaş 30 A. buharlaştırılarak Au kadar geçerli kalınlığı İzleyicisi tarafından ölçülen yatırma oranı istikrarlı yaklaşık 1 Å/s şeklini alıncaya kadar 30 A, geçerli tutarak artırmak (genellikle yaklaşık 10 Au önceden buharlaşır nm).
    6. Objektif kapağı açın ve Au yatırma başlayın. Hedeflenen kalınlığı ulaştıktan sonra panjurları kapa, yavaş yavaş akım sıfıra azaltmak ve geçerli kaynak açın.
      Not: Kullandığımız 60 nm ince pul ve 90 nm NT için. Uygun kalınlıkta örnek üzerinde bağlıdır.
    7. Substrat biriktirme işlemi sırasında ısıtılır beri onun sıcaklık oda sıcaklığına yakınındaki serin için belgili tanımlık substrate odası için 1S içinde kalır. Substrat tutucu dönen durdurmak ve transfer çubuk tarafından çıkar.
  2. SiO2 koruma katmanı birikimi.
    1. Optik mikroskobu yardımıyla, yastıkları ve kapı elektrotlar tarafından teyp kapsamaktadır.
      Not: ilke olarak, mevduat SiO2 katman elektrotlar elektrolit geçişi sırasında kimyasal reaksiyon karşı korunması için sadece güzel yapıları elektrot maruz kalır.
    2. (4.1.1) (4.1.4) Cr 5 yatırmak için aynı işlemi uygulayın nm kalınlıkta yapışma katmanı olarak.
    3. Daha sonra aynı işlemi SiO2 20 yatırmak (4.1.4) (4.1.1) kullanır nm kalınlıkta.
      Not: SiO2 yatırma oranı yaklaşık 1 Å/s, yaklaşık 10 SiO2 önceden buharlaşan süre olduğunu nm.
    4. 1 h. substrat tutucu dönen durdurmak için oda içinde belgili tanımlık substrate sakin ve transfer çubuk tarafından çıkar. Mikroskobu altında bandı çıkarın.

5. cihaz tamamlanması

  1. Yüzey kazıma.
    1. İşaretleme makine ve vakum pompası Pompa hızı 50 L/dak ve son 30 kPa baskısı ile açın. Belgili tanımlık substrate Sahne Alanı'nda vakum chuck tarafından tamir ve açı ve substrat konumunu ayarlayın.
    2. Küçük parçalar halinde substrat scribe (genellikle yaklaşık 3 x 3 mm).
      Not: Her parça boyutu seçili her örnek ve tasarlanmış desen konumunu bağlıdır.
  2. Aygıt kalkış.
    1. Bir aygıtı seçin ve aseton (%99,5 daha fazla konsantrasyon) gereksiz PMMA ve altın kaldırmak için oda sıcaklığında 1 h için içine bırakın. Sadece fabrikasyon elektrotlar substrat bırakılır.
    2. Fırlatma işleminden sonra IPA tarafından substrat yıkayıp azot silah olarak kurulayın.
  3. Tel bağlar.
    1. Tel-yapıştırma makinesi üzerinde açın. Belgili tanımlık substrate çip taşıyıcıyı şerit üzerinden Yapıştır gidermek.
      Not: WS2 NT durum için yatay rotator şekil 2niçinde gösterilen kullanıyoruz.
    2. Tel-yapıştırma makinesi sayesinde, her elektrot pad ve elektrot çip taşıyıcı tek tek bir altın tel ile bağlayın.
  4. Elektrolit damlacık koyarak.
    1. Bir damlacık elektrolit (daha az 0.5 µL) aygıt üst kısmında bir cımbız tarafından elektrolit sıvı daldırma sonra koymak.
      Not: Elektrolit miktarı çok az; aygıt güzel yapısını kapsar ve kapı paneli ama elektrot pedleri kapsayan önler. Elektrolit polietilen glikol (PEG; çözünmüş KClO4 (%99 daha fazla konsantrasyon) kullandığımız Mw = 600) [k]: [O] oranı 1:20 önceki yayın38göre.

6. taşıma ölçüleri

  1. Örnek tutucu chip-Taşıyıcı tamir ve transfer çubuk tarafından fiziksel özellikler ölçüm sistemi odası koydu. Odası yüksek vakum modu tarafından pompa.
  2. Kilit-in amplifikatörler, nano-voltmetre, kaynak metre ve amplifikatör gibi ölçüm sistemi bağlayın. Sürekli bir alternatif akım (AC) AC-kilit-in ölçümleri gerçekleştirmek için 13 Hz frekans ile uygulanır.
  3. Keysight VEE programı (ölçüm programlar) çalıştırın.
  4. Elektrolit için kapı gerilim uygulandığında gate yanıt, ölçüm (i.e., kaynak ve kapısı arasında elektrotlar), üzerinde hava etkisini azaltmak için yüksek vakum koşul altında 300 k gate gerilimi 50 mV/s hızında süpürme perdeleme performans.
  5. Sıcaklık bağımlılığı direnç ölçümü, ilk 1 K/dk yüksek vakum durumda soğutma hızı ile aşağı 200 K serin ve o tasfiye durumuna değiştirmek ve aşağı 10 K 1 K/dak soğutma oranı ile soğutma tutmak. Sıcaklık 10 K'dan daha düşük olduğunda, sakinleş ve 0.2 K/dak oranı ile ısınmak.
    Not: O tasfiye durumu, termal gürültülerinden ve sonuç sıcaklık istikrar daha fazla yüksek vakum koşulu olan iyidir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tipik transistör işlemleri bir bireysel WS2 NT ve WS2 pul aygıtların şekil 3a ve 3b, sırasıyla gösterilir nerede kaynağı geriliminin bir fonksiyonu olan kapı (V geçerli (benDS) drenaj G) güzel geleneksel sağlam kapı FET tek kutuplu kapısı Cevabıyla dikkate değer bir kontrast önceki yayın58' gösterilen bir ambipolar modunda çalışır. Tersine çevrilebilir ve yinelenebilir ambipolar davranıştır göz önüne alındığında, bu transistör işlemleri Elektrostatik doping nedeniyle yüksektir. Elektrostatik doping, iyonlar yüzeyindeki örnekleri, hangi arayüzü (Şekil 1b) doping büyük elektrik potansiyel damla ve sonuç taşıyıcı neden biriktirilir.

Elektrokimyasal enterkalasyon (şekil 1 c) tarafından doping örnek toplu olarak çok daha yüksek elektron konsantrasyonu yerine örnek yüzeyinde Elektrostatik doping tarafından neden büyük bir kapı gerilim bölgesinde, öte yandan, gerçekleştirilmektedir. Tipik enterkalasyon işlem şekil 3 cile gösterilir. Gate gerilimi ilk olarak 8 V 50 mV/s sabit bir oran ile artar, benDS Elektrostatik, benzer şekilde şekil 3bgösterildiği gibi 2D WS2 çalışmasına doping gösteren bir doygunluk davranışını görüntüler. Gate gerilimi birkaç dakika, benDS ikiden fazla büyüklük tarafından başka bir ciddi artış için 8 V'de ne zaman tutulur şekil 3 ciçinde gösterildiği gözlenmiştir. Bu kaynak drenaj geçerli artış muhtemelen atfedilen enterkalasyon K+ iyonlar WS2 katmanlara kristal yapısı zarar vermeden etkisiz hale getirmek. Bu işlem çok daha yüksek taşıyıcı konsantrasyon yüzeyi Elektrostatik doping ile karşılaştırıldığında toplu olarak neden olur.

Şekil 3dgösterildiği gibi benzer enterkalasyon işlemler de WS2 pul içinde gerçekleştirilmektedir. Gate gerilimi öncelikle 6 V kadar artırılır, benDS benzer bir doygunluk davranış görüntüler. Öte yandan, Hall etkisi tarafından tahmini taşıyıcı yoğunluğu önemli ölçüde benzer doygunluk davranış görüntüleme değişmez. Ne zaman kapı gerilim 6 V, benDS artar tekrar görülmesi nedeniyle taşıyıcı yoğunluğu net artış tarafından geçirmez enterkalasyon daha yüksek olur.

Sıcaklık bağımlılıklara elektrokimyasal doping sonra WS2 NTs ve pul direnişin şekil 3e ve 3f, sırasıyla gösterilir. Her iki durumda da, metalik davranış direnç gösterir ve düşük sıcaklık bölgede üstüniletkenlik görünür.

Figure 1
Resim 1 : Resimde elektrolit perdeleme. (a) geleneksel alan etkili transistör sağlam kapı tarafından şematik bir rakam. (b) Elektrostatik elektrolit çoğunluğuna göre doping şematik rakam. Dielektrik sıvı katı daha çok daha büyük olduğu için katı Dielektrik intermedium elektrolit içine yerleştirerek almak tarafından Elektrostatik doping etkisi daha etkilidir. Taşıyıcılar, çok sayıda örnek yüzeyinde toplanır. (c) elektrokimyasal elektrolit geçişi-kaynaklı enterkalasyon tarafından doping şematik rakam. Pozitif iyonları örnek, toplu olarak çok daha fazla taşıyıcı inducing içine ara. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Resim 2 : Cihaz imalatı WS2 nanotüp ve pul. (a) ve (b) WS2 ilk toz yapılandırmasının olmadığı, NT IPA sıvı içine dağınık. (c) bir bireysel WS2 NT fotoğrafı sonra WS2 NT substrat üzerine dispersiyon optik mikroskobu tarafından seçilen ve PMMA ile kaplı. (d) WS2 NT tarafından AutoCAD için tasarlanmış şablon şematik bir rakam. (e) aygıt desen bir bireysel WS2 NT elektron ışını litografi işlemi ve gelişmekte olan işlemi sonra fotoğrafı. (f) bir bireysel WS2 NT elektrotlar devrilmesinden sonra cihazın fotoğraf. (g) ve (h) WS2 toplu örnekleri bir teyp üzerindeki fotoğrafını ve pullu WS2 örnekleri sonra fotoğrafı katlama ve teyp birkaç kez unfolding. (i) WS2 pul fotoğrafı substrat aktardıktan sonra optik mikroskobu tarafından seçilen ve PMMA ile kaplı. (j) WS2 için tasarlanmış şablon şematik figürü flake tarafından AutoCAD. (k) WS2 pul elektron ışını litografi işlemi ve gelişmekte olan işlemi sonra aygıt desen fotoğrafı. (l) WS2 cihazın fotoğrafını pul elektrotlar devrilmesinden sonra. (m) kazıma işlemi ve kalkış işlemi sonra izole bir aygıt fotoğraf. Elektrolit geçişi için cihazın tipik aygıt desen gösterilir. Aktarım ölçümleri için elektrotlar ek olarak bir yan kapı örnek yerleştirildi. (n) yatay rotator tel-yapıştırma işleminden sonra aygıtta fotoğrafı. (o) Tel-yapıştırma işleminden sonra cihazın fotoğraf. (p) ile bir damlacık örnek ve yan kapı elektrotlar kapsayan üst iyonik sıvı elektrolit geçişi için cihaz fotoğrafı. (q) fotoğraf tipik ölçüm sistemleri (PC ve fiziksel özellikler ölçüm sistemi). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3 : Transistör işlemi, elektrokimyasal enterkalasyon ve elektrik alan bağlı üstüniletkenlik WS2 nanotüp ve pul cihaz. (a) 0.2 mV ve gate gerilimi VG süpürme hızı ambipolar transfer eğrisi WS2 NT 300 K. kaynak tüketen gerilim VDS , bu 50 mV/s. (b) WS2 pul, 300 k V ambipolar transfer eğri olduğunu DS 0,1 V ve süpürme geçit gerilim hızını 20 mV/s. (c) kaynak tüketen geçerli benDS VG ve bekleme süresi WS2 NT elektrokimyasal enterkalasyon sırasında bir fonksiyonu olarak. benDS bir doygunluk davranışını büyük ölçüde artan VGve biraz zaman benDS artış bekleyen çift sırasında sabit VG de gözlenen gözlenmiştir dakika. (d) benDS 300 K (solda) ve taşıyıcı yoğunluğu Hall etkisi tarafından VG WS2 pul bir fonksiyonu olarak 200 K (sağda) tahmini. Doygunluk ve benikinci artışDS pul da gözlenmiştir. Taşıyıcı yoğunluğu büyük artış büyük VG bölgede enterkalasyon işlemi gösteren gösterir. (e) sıcaklık bağımlılık enterkalasyon işleminden sonra WS2 NT dirençtir. 5.8 K. (f) sıcaklık bağımlılığı WS2 pul direnç enterkalasyon işleminden sonra süper iletken geçiş gözlenmektedir. Süper iletken geçiş 8 K. gözlenen Tüm rakamları yeniden oluşturulmalı ve Qin, F. ve ark. modifiye ve Shi, W. vd. 38 , 50 Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Hem WS2 NTs ve pul, biz başarılı bir şekilde elektrik özellikleri tarafından Elektrostatik kontrollü veya elektro kimyasal taşıyıcı doping.

Elektrostatik doping bölgede ambipolar transistör işlemi gözlenmiştir. Böyle ambipolar transfer eğrisi ile açma- kapama oranı yüksek (> 102) içinde gözlenen düşük önyargı voltaj elektrolit gating tekniği bu sistemler Fermi düzeyini ayarlamak için arayüz doping etkili taşıyıcı gösterir.

Bu yöntem geleneksel katı perdeleme yöntemiyle taşıyıcısı numarası küçük kapı önyargı içinde büyük miktarda ayar için avantajlı olarak karşılaştırılır, ancak bu tekniğin bazı sınırlamaları vardır. İlk olarak, taşıyıcı numara kontrolü sıvı kapısı fark çünkü, elektrolit/iyonik sıvı12,28,29,30donmuş sıcaklığının altında taşıyıcı sayısını ayarlamak mümkün değildir. Olarak yüksek sıcaklığı (oda sıcaklığında) içinde elektrolit/iyonik sıvı kapısı olarak etkin değildir, ancak geleneksel sağlam kapı, öte yandan, bile düşük sıcaklık için geçerli değil. İkinci olarak, birçok malzeme belirli koşullar59,60,61,62,63içinde sıvı elektrolit/iyonik ile kimyasal reaksiyon göstermek için bilinir. Bu tür kimyasal reaksiyon kolayca cihazlar keser ve deneyler ya da malzemeler uygulamaya başarılı oranı sınırlar.

Ancak, insanların son zamanlarda kimyasal reaksiyon filmleri59,60 ve ağır elektron9 doping için elektrokimyasal enterkalasyon inceltme için kimyasal aşındırma gibi gelecekteki uygulama için yardımcı olabilir tanımış ,11,34,38,50,51,52,53 ve faz dönüşümü61,62 ,63. Benzer bir teknik aynı zamanda katı iyon iletken51,52,53 için uyarlanmış ve hatta fotoaktif çeviri gelişmiş64olmuştur.

Elektrokimyasal doping bölgede elektrik alan bağlı üstüniletkenlik gözlemledim. Muhtemelen NTs alt dimensionality nedeniyle olan süper iletken geçiş sıcaklığı arasındaki fark WS2 NTs ince tabakalar, daha da ileride takip edilmelidir.

Bu çalışmanın sonuçları olarak pek gösterdiği açıkça, iyonik sıvı geçişi tarafından taşıyıcı numara kontrolü kuantum faz geçiş Nanomalzemeler içinde arama yapmak için güçlü bir yöntem sağlar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Aşağıdaki mali destek kabul; Grant-in-Aid için özel olarak araştırma (No. 25000003) JSP'ler terfi., Grant-in-Aid için araştırma etkinlik başlangıç (No.15H06133) ve araştırma (keşif) zor (No JP17K18748) MEXT Japonya dan.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sonication machine SND Co., Ltd. US-2 http://www.senjyou.jp/
Spin-coater machine ACTIVE Co.,Ltd. ACT-300AII http://www.acti-ve.co.jp/spincoater/standard/act300a2.html
Hot-plate TAIYO HP131224 http://www.taiyo-kabu.co.jp/products/detail.php?product_id=431
Optical Microscopy OLYMPUS BX51 https://www.olympus-ims.com/ja/microscope/bx51p/
Electron Beam Lithography machine ELIONIX INC. ELS-7500I https://www.elionix.co.jp/index.html
Scribing machine TOKYO SEIMITSU CO., LTD. A-WS-100A http://www.accretech.jp/english/product/semicon/wms/aws100s.html
Wire-bonding machine WEST·BOND  7476D-79 https://www.hisol.jp/products/bonder/wire/mgb/b.html
Physical Properties Measurement System Quantum Design PPMS http://www.qdusa.com/products/ppms.html
Lock-in amplifier Stanford Research Systems SRS830 http://www.thinksrs.com/products/SR810830.htm
Source meter Textronix KEITHLEY 2612A http://www.tek.com/keithley-source-measure-units/smu-2600b-series-sourcemeter
KClO4 Sigma-Aldrich 241830 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigald/241830?lang=ja&region=JP
PEG WAKO 168-09075 http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0116-0907
IPA WAKO 169-28121 http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=169-28121
MIBK WAKO 131-05645 http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0113-0564
PMMA MicroChem PMMA http://microchem.com/Prod-PMMA.htm
Acetone WAKO 012-26821 http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=012-26821

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ahn, C. H., et al. Electrostatic modification of novel materials. Rev. Mod. Phys. 78, 1185-1212 (2006).
  2. Ahn, C. H., Triscone, J. M., Mannhart, J. Electric field effect in correlated oxide systems. Nature. 424, 1015-1018 (2003).
  3. Panzer, M. J., Frisbie, C. D. Polymer Electrolyte Gate Dielectric Reveals Finite Windows of High Conductivity in Organic Thin Film Transistors at High Charge Carrier Densities. J. Am. Chem. Soc. 127, 6960-6961 (2005).
  4. Panzer, M. J., Frisbie, C. D. High charge carrier densities and conductance maxima in single-crystal organic field-effect transistors with a polymer electrolyte gate dielectric. Appl. Phys. Lett. 88, 203504 (2006).
  5. Misra, R., McCarthy, M., Hebard, A. F. Electric field gating with ionic liquids. Appl. Phys. Lett. 90, 052905 (2007).
  6. Ono, S., Seki, S., Hirahara, R., Tominari, Y., Takeya, J. High-mobility, low-power, and fast-switching organic field-effect transistors with ionic liquids. Appl. Phys. Lett. 92, 103313 (2008).
  7. Lee, J., Panzer, M. J., He, Y., Lodge, T. P., Frisbie, C. D. Ion Gel Gated Polymer Thin-Film Transistors. J. Am. Chem. Soc. 129, 4532-4533 (2007).
  8. Fujimoto, T., Awaga, K. Electric-double-layer field-effect transistors with ionic liquids. Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 8983-9006 (2013).
  9. Du, H., Lin, X., Xu, Z., Chu, D. Electric double-layer transistors: a review of recent progress. J. Mater. Sci. 50, 5641-5673 (2015).
  10. Ueno, K., et al. Field-induced superconductivity in electric double layer transistors. J. Phys. Soc. Jpn. 83, 032001 (2014).
  11. Bisri, S. Z., Shimizu, S., Nakano, M., Iwasa, Y. Endeavor of Iontronics: From Fundamentals to Applications of Ion-Controlled Electronics. Adv. Mater. 29, 1607054 (2017).
  12. Yuan, H. T., et al. High-density carrier accumulation in ZnO field-effect transistors gated by electric double layers of ionic liquids. Adv. Funct. Mater. 19, 1046-1053 (2009).
  13. Yuan, H., et al. Zeeman-type spin splitting controlled by an electric field. Nat Phys. 9, 563-569 (2013).
  14. Yamada, Y., et al. Electrically induced ferromagnetism at room temperature in cobalt-doped titanium dioxide. Science. 332, 1065-1067 (2011).
  15. Shibata, K., et al. Large modulation of zero-dimensional electronic states in quantum dots by electric-double-layer gating. Nat Commun. 4, 2664 (2013).
  16. Krüger, M., Buitelaar, M. R., Nussbaumer, T., Schönenbergera, C. Electrochemical carbon nanotube field-effect transistor. Appl. Phys. Lett. 78, 1291 (2001).
  17. Rosenblatt, S., Yaish, Y., Park, J., Gore, J., Sazonova, V., McEuen, P. L. High Performance Electrolyte Gated Carbon Nanotube Transistors. Nano Lett. 2, 869-872 (2002).
  18. Yuan, H. T., et al. Liquid-gated ambipolar transport in ultrathin films of a topological insulator Bi2Te3. Nano Lett. 11, 2601-2605 (2011).
  19. Zhang, Y., Ye, J., Matsuhashi, Y., Iwasa, Y. Ambipolar MoS2 thin flake transistor. Nano Lett. 12, 1136-1140 (2012).
  20. Braga, D., et al. Quantitative determination of the band gap of WS2 with ambipolar ionic liquid-gated transistors. Nano lett. 12, 5218-5223 (2012).
  21. Saito, Y., Iwasa, Y. Ambipolar insulator-to-metal transition in black phosphorus by ionic-liquid gating. ACS Nano. 9, 3192-3198 (2015).
  22. Sugahara, M., et al. Ambipolar transistors based on random networks of WS2 nanotubes. Appl. Phys. Express. 9, 075001 (2016).
  23. Kang, M. S., Lee, J., Norris, D. J., Frisbie, C. D. High Carrier Densities Achieved at Low Voltages in Ambipolar PbSe Nanocrystal Thin-Film Transistors. Nano Lett. 9, 3848-3852 (2009).
  24. Bisri, S. Z., et al. Low Driving Voltage and High Mobility Ambipolar Field-Effect Transistors with PbS Colloidal Nanocrystals. Adv. Mater. 25, 4309-4314 (2013).
  25. Dasgupta, S., et al. Printed and Electrochemically Gated, High-Mobility, Inorganic Oxide Nanoparticle FETs and Their Suitability for High-Frequency Applications. Adv. Funct. Mater. 22, 4909-4919 (2012).
  26. Thiemann, S., Gruber, M., Lokteva, I., Hirschmann, J., Halik, M., Zaumseil, J. High-Mobility ZnO Nanorod Field-Effect Transistors by Self-Alignment and Electrolyte-Gating. Acs Appl Mater Inter. 5, 1656-1662 (2013).
  27. Wong, A. T., et al. Impact of gate geometry on ionic liquid gated ionotronic systems. APL Mater. 5, 042501 (2017).
  28. Zhang, Y. J., Oka, T., Suzuki, R., Ye, J. T., Iwasa, Y. Electrically switchable chiral light-emitting transistor. Science. 344, 725-728 (2014).
  29. Zhang, Y. J., Yoshida, M., Suzuki, R., Iwasa, Y. 2D crystals of transition metal dichalcogenide and their iontronic functionalities. 2D Materials. 2, 044004 (2015).
  30. Onga, M., Zhang, Y. J., Suzuki, R., Iwasa, Y. High circular polarization in electroluminescence from MoSe2. Appl Phys Lett. 108, 073107 (2016).
  31. Yoshida, M., et al. Gate-optimized thermoelectric power factor in ultrathin WSe2 single crystals. Nano Lett. 16, 2061-2065 (2016).
  32. Saito, Y., et al. Gate-tuned thermoelectric power in black phosphorus. Nano Lett. 16, 4819-4824 (2016).
  33. Yoshida, M., et al. Controlling charge-density-wave states in nano-thick crystals of 1T-TaS2. Sci. Rep. 4, 7302 (2014).
  34. Yu, Y., et al. Gate-tunable phase transitions in thin flakes of 1T-TaS2. Nat Nanotechnol. 10, 270-276 (2015).
  35. Nakano, M., et al. Collective bulk carrier delocalization driven by electrostatic surface charge accumulation. Nature. 487, 459-462 (2012).
  36. Shimotani, H., Asanuma, H., Iwasa, Y. Electric Double Layer Transistor of Organic Semiconductor Crystals in a Four-Probe Configuration. Jpn. J. Appl. Phys. 46, 3613 (2007).
  37. Shi, W., et al. Transport Properties of Polymer Semiconductor Controlled by Ionic Liquid as a Gate Dielectric and a Pressure Medium. Adv. Funct. Mater. 24, 2005-2012 (2014).
  38. Shi, W., et al. Superconductivity series in transition metal dichalcogenides by ionic gating. Sci. Rep. 5, 12534 (2015).
  39. Saito, Y., Nojima, T., Iwasa, Y. Gate-induced superconductivity in two-dimensional atomic crystals. Supercond. Sci. Technol. 29, 093001 (2016).
  40. Saito, Y., Nojima, T., Iwasa, Y. Highly crystalline 2D superconductors. Nature Rev. Mater. 2, 16094 (2016).
  41. Ueno, K., et al. Electric-field-induced superconductivity in an insulator. Nat Mater. 7, 855-858 (2008).
  42. Ye, J. T., et al. Liquid-gated interface superconductivity on an atomically flat film. Nat Mater. 9, 125-128 (2010).
  43. Ueno, K., et al. Discovery of superconductivity in KTaO3 by electrostatic carrier doping. Nat Nanotechnol. 6, 408-412 (2011).
  44. Ye, J. T., et al. Superconducting dome in a gate-tuned band insulator. Science. 338, 1193-1196 (2012).
  45. Saito, Y., Kasahara, Y., Ye, J., Iwasa, Y., Nojima, T. Metallic ground state in an ion-gated two-dimensional superconductor. Science. 350, 409-413 (2015).
  46. Saito, Y., et al. Superconductivity protected by spin-valley locking in ion-gated MoS2. Nat Phys. 12, 144-149 (2016).
  47. Costanzo, D., et al. Gate-induced superconductivity in atomically thin MoS2 crystals. Nat Nanotechnol. 11, 339-344 (2016).
  48. Jo, S., Costanzo, D., Berger, H., Morpurgo, A. F. Electrostatically induced superconductivity at the surface of WS2. Nano Lett. 15, 1197-1202 (2015).
  49. Lei, B., et al. Gate-tuned superconductor-insulator transition in (Li,Fe)OHFeSe. Phys. Rev. B. 93, 060501 (2016).
  50. Qin, F., et al. Superconductivity in a chiral nanotube. Nat Commun. 8, 14465 (2017).
  51. Zhao, J., et al. Lithium-ion-based solid electrolyte tuning of the carrier density in graphene. Sci. Rep. 6, 34816 (2016).
  52. Lei, B., et al. Tuning phase transitions in FeSe thin flakes by field-effect transistor with solid ion conductor as the gate dielectric. Phys. Rev. B. 95, 020503 (2017).
  53. Zhu, C. S., et al. Tuning electronic properties of FeSe0.5Te0.5 thin flakes using a solid ion conductor field-effect transistor. Phys. Rev. B. 95, 174513 (2017).
  54. Tenne, R., Margulis, L., Genut, M., Hodes, G. Polyhedral and cylindrical structures of tungsten disulphide. Nature. 360, 444-446 (1992).
  55. Rothschild, A., Sloan, J., Tenne, R. Growth of WS2 nanotubes phases. J. Am. Chem. Soc. 122, 5169-5179 (2000).
  56. Zak, A., et al. Scaling-up of the WS2 nanotubes synthesis. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostruct. 19, 18-26 (2010).
  57. Rao, C. N. R., Nath, M. Inorganic nanotubes. Dalton T. 1, 1-24 (2003).
  58. Levi, R., Bitton, O., Leitus, G., Tenne, R., Joselevich, E. Field-effect transistors based on WS2 nanotubes with high current-carrying capacity. Nano Lett. 13, 3736-3741 (2013).
  59. Shiogai, J., et al. Electric-field-induced superconductivity in electrochemically etched ultrathin FeSe films on SrTiO3 and MgO. Nat Phys. 12, 42-46 (2016).
  60. Shiogai, J., et al. Unified trend of superconducting transition temperature versus Hall coefficient for ultrathin FeSe films prepared on different oxide substrates. Phys. Rev. B. 95, 115101 (2017).
  61. Jeong, J., et al. Suppression of Metal-Insulator Transition in VO2 by Electric Field-Induced Oxygen Vacancy Formation. Science. 339, 1402-1405 (2013).
  62. Schladt, T. D., et al. Crystal-Facet-Dependent Metallization in Electrolyte-Gated Rutile TiO2 Single Crystals. ACS Nano. 7, 8074-8081 (2013).
  63. Lu, N., et al. Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch. Nature. 546, 124-128 (2017).
  64. Suda, M., Kato, R., Yamamoto, H. M. Light-induced superconductivity using a photoactive electric double layer. Science. 347, 743-746 (2015).

Tags

Mühendislik sayı: 134 elektrolit perdeleme elektrikli çift katmanlı transistör enterkalasyon süperiletkenlik geçiş metal dichalcogenides TMDs tungsten disülfür WS2 nanotüp
Elektrik alanı kontrol elektronik elektrolit çoğunluğuna tarafından WS<sub>2</sub> Nanodevices durumlarda
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Qin, F., Ideue, T., Shi, W., Zhang,… More

Qin, F., Ideue, T., Shi, W., Zhang, Y., Suzuki, R., Yoshida, M., Saito, Y., Iwasa, Y. Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating. J. Vis. Exp. (134), e56862, doi:10.3791/56862 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter