Waiting
Login processing...

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

Engineering

Elektriska-fältet kontroll av elektroniska staterna i WS2 nanomaskiner sig av elektrolyt Gating

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

Här presenterar vi ett protokoll för att styra antalet bärare i fasta ämnen med hjälp av elektrolyten.

Abstract

En metod för carrier nummer kontroll av elektrolyt gating demonstreras. Vi har fått WS2 tunna flingor med atomically plan yta via scotch tejp metoden eller enskilda WS2 nanorör av dispergering upphävandet av WS2 nanorör. Valda provexemplaren har tillverkats i enheter genom användning av den electron beam litografin och elektrolyt sätts på enheter. Vi har präglat de elektroniska egenskaperna hos enheter under tillämpa gate spänningen. I regionen små gate spänning ackumuleras joner i elektrolyten på ytan av proverna vilket leder till stora elektriska potentiella droppe och resulterande elektrostatiska transportören dopning på gränssnittet. Ambipolar överföring kurva har observerats i denna elektrostatiska dopning region. När grinden spänningen ökas ytterligare, träffade vi en annan drastisk ökning av källa-drain ström vilket innebär att joner är interkalenderat i skikten av WS2 och elektrokemiska carrier dopning realiseras. I sådan elektrokemiska dopning region, har supraledning observerats. Fokuserad tekniken ger en kraftfull strategi för att uppnå den elektriska-arkiverat-inducerad quantum fasövergång.

Introduction

Kontroll av antalet bärare är den viktigaste tekniken för inser quantum fas övergången i fasta ämnen1. I konventionella field-effecttransistor (FET) uppnås det genom användning av solid gate1,2. I en sådan enhet är elektrisk potentiell lutning enhetlig inom hela de dielektriska material så att inducerade operatör gränssnittet är begränsad, visas i figur 1a.

Däremot, kan vi uppnå den högre carrier tätheten på gränssnitt eller bulk genom att ersätta de fasta dielektriska material med Joniska geler/vätskor eller polymera elektrolyter3,4,5,6, 7,8,9,10,11 (figur 1b). I den elektrostatiska dopning av användning av jonisk vätska, elektrisk dubbla lager transistor (EDLT) struktur bildas i gränssnittet mellan jonisk vätska och prov, genererar starkt elektriskt fält (> 0,5 V/Å) även vid låg bias spänning. Resulterande hög carrier densitet (> 1014 cm-2) inducerad på gränssnittet10,12,13 orsaken de nya elektroniska egenskaper eller quantum fasövergång som Electric-fält-inducerad ferromagnetism14, Coulomb blockad15, ambipolar transport16,17,18,19,20, 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, bildandet av PN- och resulterande electroluminance28,29,30, stora modulering av termoelektriska befogenheter31,32, debitera densitet våg och Mott övergångar33,34,35, och elektriska-fält-inducerad isolator-metall övergång36,37 inklusive elektriska-fält-inducerad supraledning9 ,10,11,38,39,40,41,42,43,44 ,45,46,47,48,49.

I en elektrolyt gating (figur 1 c), joner ackumuleras inte endast på gränssnittet för att bilda EDLT, men kan vara också interkalenderat i skikten av tvådimensionella material via termisk diffusion utan skadliga provet under tillämpa stor grind spänningen, leder till den elektrokemiska dopning8,9,11,34,38,50,51,52,53 . Således kan vi drastiskt ändra transportören jämfört med den konventionella field-effecttransistor använder fast grinden. Särskilt realiseras den elektriska-fält-inducerad supraledning9,11,34,38,50 genom användning av elektrolyt gating i regionen stor bärare numret där vi inte kan komma åt med konventionella solida Usenets metod.

I denna artikel, vi införa denna unika teknik för carrier kontrollen i fasta ämnen och översikt transistor drift och elektriska-fält-inducerad supraledning i halvledande WS2 prover såsom WS2 flingor och WS2 nanorör54,55,56,57.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. spridning av WS 2 nanorör (NTs) på substrat

  1. Skingra WS2 NT pulver i isopropylalkohol (IPA, koncentration mer än 99,8%) med rätt utspädda förhållande (ca 0,1 mg/mL) av ultraljudsbehandling i 20 min.
    Obs: Long-time ultraljudsbehandling hjälper till att göra WS2 NTs jämnt svävande i IPA vätska och att separata välformade enskilda WS2 NTs från amorf WS2 eller annat skräp, samt för att ta bort skräp ansamlas på WS2 NTs yta. Figur 2b visar det slutgiltiga upphävandet av WS2 NTs. Eftersom suspensionen kan värmas under ultraljudsbehandling processen, är det bättre att stoppa ultraljudsbehandling på varje 5 min och fortsätta ultraljudsbehandling efter 1 min.
  2. Spin-beläggning förfarande att skingra WS2 NTs på substrat.
    1. Starta spin-bestrykare maskin och vakuumpump. Sätta en Si/SiO2 (3000 Å) substrat (1 x 1 cm) på mitten av chuck och fixa det genom vakuum med pumpning hastighet 80 L/min och ultimata tryck av 20 kPa.
      Obs: Det finns ett hål ligger i mitten av chucken ansluta till vakuumpumpen, således substratet korrigeras genom vakuum (pumpa hastighet är 80 L/min och ultimata trycket är 20 kPa). Vakuum trycket kan vara olika beroende på pumpen.
    2. Ställa in relevanta parametrar av förfarandet av den spin-bestrykare maskinen kontrollpanel.
      Obs: Det finns tre steg under förfarandet för spin-beläggning: (1) långsamt hastighet upp till 500 rpm inom de första 3 s, (2) snabbt hastighet upp till 4000 rpm och fortsätt ytterligare 50 s, (3) sakta ner och stoppa spinning för de senaste 3 s. Dessa parametrar kan vara olika beroende på användningen av spin-bestrykare.
    3. Sätta en droppe (ca 0,01 mL) av suspensionen av WS2 NT gjort under (1,1) med en pipett på substratet tills underlaget är helt täckt av suspensionen (om inte sätta fler droppar). Sedan start spin-beläggning med relevanta parametrar i (1.2.2).

2. beredning av tunn flaga på substrat via scotch tejp metoden

  1. Sätta en liten samlingsprovet WS2 (vuxit via kemiska ångor transportsättet) på scotch tejp. Vik tejpen och veckla upp det långsamt för att mekaniskt exfoliera det tunt lagret från huvuddelen. Upprepa proceduren för flera gånger, tills de exfolierad proverna är tunn nog.
    Obs: Figur 2 g och 2 h visar första bandet med lite samlingsprovet WS2 och sista bandet efter flera fällbara förfaranden, respektive.
  2. Klistra in den scotch tejpen på toppen av substrat upp och ner, tryck lite på bandet och noggrant ta bort tejpen från toppen av substrat.
    Obs: Efter att ta bort tejpen, finns det många tunna flingor kvar på underlaget.

3. anordning tillverkning av electron beam litografi.

  1. Spin-beläggning processen att täcka resist för electron beam litografi.
    1. Följ samma spin-beläggning proceduren som beskrivs i (1.2.1) och (1.2.2).
    2. Lägg en droppe (ca 0,04 mL) av polymetylmetakrylat (PMMA) med en pipett på substratet tills underlaget är helt täckt av PMMA. Då börja snurra-beläggning förfarande för att jämnt täcka PMMA på WS2 prov att förhindra den från att exponeras i luft.
      Obs: PMMA är en av motstår för electron beam litografi.
    3. Efter spin-beläggning, sätta substratet på värmeplatta vid 180 ° C och värm i 1 min.
      Obs: Dessa parametrar kan vara olika beroende på motstå typer.
  2. Urvalet av optisk mikroskopi.
    1. Starta optisk mikroskopi och kamera. Sätta på substratet på scenen.
    2. Flytta scenen och skanna hela regionen av underlaget med rätt förstoring (X 20) och i mellantiden, Välj enstaka prover med lämplig storlek.
      Obs: Totalt 6 till 10 enstaka prover kan oftast väljas för varje substrat för 1 x 1 cm.
    3. Ta bilder av varje urval med olika förstoring 5 X, 20 X och 100 X. Dessa bilder används för att identifiera platsen för varje prov.
  3. Design av storskaliga enhet mönster.
    1. Aktivera programvaran AutoCAD och läsa formatet av substrat galler. Infoga bilder i (3.2) och identifiera storlek och läge av varje foto beroende på märken på underlaget.
    2. Infoga ett stort torg med längd 1200 µm och ett litet torg med längd 300 µm som ska omge varje prov.
    3. Storskaliga mönster inklusive gate, källa, avlopp och andra kuddar på stora torget förutom böter strukturer nära provet. Design små märken nära provet att exakt identifiera platsen för proverna i det mer sistnämnd bearbetar av design för småskalig enhet mönstret.
    4. Upprepa (3.3.2) (3.3.3) för varje prov.
    5. Spela in koordinaterna för mitten av varje stora och små ruta, respektive.
    6. Ta bort infogade bilder, stora och små torg och substrat galler format, lämnar endast designade stora mönster och små märken. Exportera stora mönster och små märken som dxf-filer, respektive.
  4. Första electron beam litografi.
    1. Sätta substratet på scenen och fixa det, och infoga scenen i den huvudsakliga kammaren av electron beam litografi maskin.
    2. Aktivera ECA program (ett program för att generera en fil som används i electron beam process). Ange fältstorleken som 300 för en litografi av små märken. Använda verktyg för dxf converter för att överföra dxf-fil till cell fil.
    3. Läsa in cell filen genereras i (3.4.2), ange filnamnet, identifiera ursprung och identifiera punkter med koordinater med små rutor i (3.3.5). Slutligen identifiera koordinaterna av stora A och B märken och små A och B märken för varje punkt.
      Obs: Stora A och B märken används att rätta riktning mot scenen, medan små A och B märken används för att identifiera obalansen mellan designade mönster och tryckta mönster, under processen för småskaliga mönsterdesign.
    4. Spara filen som con fil och vänta tills trycket inuti den huvudsakliga kammaren är lägre än 5 x 10-5 Pa.
      Obs: Eftersom elektronen strålar är hög energi (50 kV accelererande spänning), den höga kvaliteten på vakuum behövs.
    5. När trycket av den huvudsakliga kammaren blir låg nog för electron beam litografi processen, aktivera electron beam kontrollprogram ESL-7500 och därefter Aktivera elektronkanon.
    6. Slå på svepelektronmikroskop (SEM) och flytta scenen till den position där substratet i skärmen. Justera ljusstyrka, kontrast och fokus.
    7. Justera vinkeln på scenen genom att döma den relativa positionen av stora A och B marks ursprungligen på substratet tills felet av riktning är försumbar vid förstoring av 5000 X. Efter korrigering riktning mot scenen, registrera placeringen av den stora ett märke.
    8. Ställa in amplituden av elektronstrålen för litografi; 100 pA är för små märken litografi. Flytta scenen till position för amplitud tuning och välj plats läge för kameran, ändra amplituden av elektronstrålen tills den når 100 pA genom amperemetern. Efter inställning amplituden av elektronstrålen, justera ljusstyrka, kontrast och fokus.
    9. Ladda Sparad con fil i (3.4.4) i programmet ECA. Ställa in relevanta parametrar: 2 s för dos tid och 300 för Fältstorlek. Äntligen börja exponering.
      Obs: Dos tid kan vara olika beroende på resist.
    10. Tillbaka till electron beam kontrollprogram ESL-7500, sätta 5000 X av förstoring och flytta scenen till den stora registrerade position ett märke. Bekräfta ståndpunkten av den stora A och B märken.
    11. Ställ in 30000 X av förstoring och bekräfta positionen för lilla A och B markerar för litografin av de första små märken som utformats i (3.3.3).
      Obs: Litografin startar efter överensstämmer med liten markerar och tar flera andra.
    12. Efter avslutad litografin, upprepa proceduren för alla prover. På sist, avsluta processen exponering och Stäng programmet ECA.
    13. Följ samma process från (3.4.2) till (3.4.10) med olika parametrar för litografin av stora mönster designat i (3.3.3). I (3.4.2), ange fältstorleken som 1200. I (3.4.3), endast identifiera koordinater av stora A och B markerar förutom små A och B märken. I (3.4.8), ställa in amplituden av elektronstråle som 1000 pA för litografin av stora mönstret. (3.4.9), Välj 1200 av fältstorleken.
      Obs: Efter processen för (3.4.10), litografi av stora mönstret startar och tar flera timmar.
    14. Efter avslutad litografin av stora mönster, flytta scenen till den ursprungliga positionen, stänga av elektronen strålar och avsluta processen exponering och programmet ECA. Öppna den huvudsakliga kammaren och ta ut underlaget.
  5. Först utveckla.
    1. Gör en lösning av metylisobutylketon (MIBK) och IPA med förhållandet mellan MIBK: IPA = 1:3. Doppa substratet i lösningen för 30 s, och tvätta det genom IPA vätskan och torka av kväve pistol.
      Obs: Utveckla tid kan ändras beroende på miljöförhållanden som temperatur och luftfuktighet.
    2. Ta bilder med hjälp av optisk mikroskopi för varje tryckt mönster med olika förstoring 5 X, 20 X och 100 X.
  6. Design av småskaliga enhet mönster.
    1. Följ samma process i (3.3). I (3.3.1), Fyll på mönstret av substrat galler inklusive de designade små märkena i (3.3.3) och infoga bilder tagna efter första utveckla.
      Obs: Storlek och läge av varje foto beror på de små märken som utformats i (3.3.3), i stället för märken på underlaget.
    2. Design i fina struktur av enhet mönster med källa, avlopp och andra elektroderna i små fyrkanter i Hall bar konfiguration, som är ansluten till det tryckta stora mönstret. Efter utforma små mönster för alla enheter, spela in koordinaterna för små fyrkanter.
    3. Ta bort infogade bilder, små torg och substrat mönster, lämnar bara de utformade små mönsterna. Exportera de små mönstret som dxf fil.
  7. Andra electron beam litografi.
    1. Följ samma process från (3.4.1) till (3.4.11) med samma parametrar till litografin av små mönster designat i (3.6); 300 för Fältstorlek och välj 100 pA för amplituden av elektronstrålen.
      Obs: Litografi processen tar flera minuter för varje liten mönster.
    2. Efter litografin av små mönster, flytta scenen till den ursprungliga positionen, stänga av elektronstrålen, avsluta exponering processen och stänga programmet ECA. Öppna den huvudsakliga kammaren och ta ut underlaget.
  8. För det andra att utveckla.
    1. Följ samma process i (3.5) med utvecklande samtidigt som 30 s.
    2. Ta bilder med hjälp av optisk mikroskopi för varje mönster med olika förstoring 5 X, 20 X och 100 X.

4. nedfall av elektroder

  1. Nedfall av guld elektroder.
    1. Fixa underlaget på substrat innehavaren, sätta substrat innehavaren på överföring stav och infoga den i den huvudsakliga kammaren av förångaren. Börja vrida hållaren substrat.
    2. Första insättning Cr 5 nm i tjocklek som vidhäftning lager. När trycket inuti den huvudsakliga kammaren blir mindre än 10-4 Pa, slå på högspänning källan.
    3. Öka strömmen av elektronkanon noggrant med fasta accelererande spänningen i 4 kV, tills den deponerar hastighet mätt med tjocklek monitor blir stabil ca 0,5 Å/s (vanligtvis före avdunsta Cr ca 5 nm).
    4. Öppna slutaren och insättning Cr tills den når 5 nm i tjocklek. Stänga slutaren, långsamt minska strömmen av elektronkanon till noll och stänga av högspänning källan.
    5. Därefter deponera Au av lämplig tjocklek. Slå på den aktuella källan och långsamt öka nuvarande upp till 30 A. avdunsta Au genom att hålla nuvarande 30 A, tills den deponerar hastighet mätt med tjocklek monitor blir stabil ca 1 Å/s (vanligtvis före avdunsta Au ca 10 nm).
    6. Öppna slutaren och börja sätta in Au. Efter att ha nått den avsedda tjockleken, stänga slutaren, långsamt minska strömmen till noll och stänga av den aktuella källan.
      Obs: Vi använder 60 nm för tunn flaga och 90 nm för NT. Lämplig tjocklek är beroende av provet.
    7. Eftersom underlaget värms upp under nedfall, förbli substratet inne i kammaren för 1 h för att kyla ner sin temperatur till nära rumstemperatur. Sluta rotera hållaren substrat och ta ut av överföring stav.
  2. Nedfall av SiO2 skyddslager.
    1. Med hjälp av optisk mikroskopi, täcka kuddar och gate elektroderna med tejp.
      Obs: I princip endast böter strukturer av elektroder utsätts för insättning SiO2 lager för skydd av elektroder mot den kemiska reaktionen under den elektrolyt gating.
    2. Följ samma process från (4.1.1) till (4.1.4) att deponera Cr 5 nm i tjocklek som vidhäftning lager.
    3. Därefter följa samma process från (4.1.1) till (4.1.4) att deponera SiO2 20 nm i tjocklek.
      Obs: Deponerar SiO2 är ca 1 Å/s, medan pre indunstning SiO2 ca 10 nm.
    4. Kyla ner substratet inne i kammaren för 1 h. stopp roterande hållaren substrat och ta ut den med överföring stav. Ta bort tejpen under mikroskopi.

5. slutförandet av enheten

  1. Substratet ritsning.
    1. Slå på ritsning maskin och vakuumpump med pumpning hastighet på 50 L/min och ultimata trycket 30 kPa. Fixa underlaget på scenen av vakuum chuck och justera vinkel och position av substratet.
    2. Scribe substratet i små bitar (vanligtvis ca 3 x 3 mm).
      Storleken på varje bit beroende på placeringen av varje urval och designade mönster.
  2. Enheten lyft.
    1. Välj en enhet och doppa det i aceton (koncentration mer än 99,5%) för 1 h i rumstemperatur att ta bort det överflödiga PMMA och guld. Bara påhittade elektroderna är kvar på substrat.
    2. Efter lyft processen, tvätta underlaget av IPA och torka det av kväve pistol.
  3. Tråd-bindning.
    1. Slå på tråd-limning maskinen. Fixa underlaget på chip-transportören via sliver pasta.
      Obs: För WS2 NT fall, vi använder horisontella rotator visas i figur 2n.
    2. Med hjälp av wire-limning maskin, ansluta varje elektrod pad och elektrod av chip bärare en efter en med en guldtråd.
  4. Elektrolyt droplet sätta.
    1. Placera en droppe av elektrolyt (mindre än 0,5 µL) på toppen av enheten av en pincett efter doppning i elektrolyten vätskan.
      Obs: Mängden elektrolyt är mycket lite; Det täcker enheten fin struktur och gate pad undviker men täcker elektroder. Vi använder elektrolyten KClO4 (koncentration mer än 99%) upplöst i polyetylenglykol (PEG; Mw = 600) med en [K]: [O] förhållandet 1:20 enligt den tidigare publikationen38.

6. transport mätningar

  1. Fixa chip-transportören på provhållaren och placera den inne i kammaren av fysikaliska egenskaper mätsystemet med överföring stav. Pumpa i kammaren av hög vakuum läge.
  2. Anslut mätsystem inklusive inlåsning förstärkare, nano-voltmeter, källa mätare och förstärkare. Applicera en konstant växelström (AC) med frekvensen av 13 Hz till utföra de AC-lås-in-mätningarna.
  3. Kör programmet Keysight VEE (mätprogram).
  4. Vid mätning av gate svar, när den gate spänningen appliceras på elektrolyten (dvs., mellan källa och gate elektroder), sopa gate spänningen med hastighet av 50 mV/s vid 300 K, hög-vakuum villkor att minska påverkan av luften på den gating prestanda.
  5. Vid mätning av temperaturberoende motstånd, först kyla ner till 200 K med andelen kylande 1 K/min i hög-vacuum tillstånd, och sedan ändra i villkoret han-renade och hålla kyla ner till 10 K med andelen kylande 1 K/min. När temperaturen är lägre än 10 K, svalna och värma med 0.2 K/min.
    Obs: I villkoret han-renade, värmeledningsförmåga och resulterande temperatur stabilitet är bättre än de i hög-vacuum tillstånd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Typiska transistor verksamhet en enskilda WS2 NT och en WS2 flake-enheter visas i figur 3a och 3b, respektive, där källan dränera ström (jagDS) som en funktion av gate spänningen (V G) fint fungerar i ett ambipolar läge, visar en anmärkningsvärd kontrast till den konventionella solida gated FET svar på unipolär gate i föregående publikation58. Med tanke på den ambipolar beteenden är reversibel och repeterbar, är dessa transistor åtgärder sannolikt på grund av elektrostatisk dopning. I den elektrostatiska dopning ackumuleras joner på ytan av proverna, vilket leder till stora elektriska potentiella droppe och resulterande transportören dopning på gränssnittet (figur 1b).

Elektrokemiska dopning av interkalation (figur 1 c), däremot, realiseras i stor grind spänning region, orsakar mycket högre elektron koncentration i huvuddelen av provet, i stället för på ytan av provet genom elektrostatisk dopning. En typisk interkalation process visas i figur 3 c. När grinden spänningen ökas först upp till 8 V med en konstant hastighet av 50 mV/s, visar jagDS en mättnad beteende som anger den elektrostatiska dopning, likaså i 2D WS2 fall som visas i figur 3b. När grinden spänningen hålls på 8 V för ett par minuter, en annan drastisk ökning av jagDS med fler än två tiopotenser har observerats som visas i figur 3 c. Denna källa avlopp nuvarande ökning är förmodligen tillskrivas interkalation av K+ joner desarmera i WS2 lager utan att skada kristallstrukturen. Denna process medför mycket högre carrier-koncentration i bulk jämfört med den elektrostatiska dopning på ytan.

Som visas i figur 3d, realiseras också liknande interkalation processen i WS2 flaga. När grinden spänningen ökas först upp till 6 V, visar jagDS en liknande mättnad beteende. Å andra ändrar bärare densitet beräknad av Hall effekt avsevärt inte, visar liknande mättnad beteendet. När grinden spänningen blir högre än 6 V, jagDS ökar igen på grund av händelsen av interkalering som är impregnerat av tydliga ökningen av transportören tätheten.

Temperatur dependences av motstånd, WS2 NTs och flingor efter elektrokemiska dopning visas i figur 3e och 3f, respektive. I båda fallen motståndet visar den metalliska beteenden och supraledning visas i låg temperatur regionen.

Figure 1
Figur 1 : Illustration av elektrolyt gating. (a) Schematisk bild av konventionella field-effecttransistor av solid gate. (b) Schematisk bild av elektrostatiska dopning av elektrolyt gating. Av ta utsläppande den solida dielektriska intermedium i elektrolyten, är elektrostatiska dopning effekten effektivare eftersom Dielektricitetskonstant vätska är mycket större än fast. Ett stort antal transportörer ackumuleras på ytan av provet. (c) Schematisk bild av elektrokemiska dopning av elektrolyt-gating-inducerad interkalering. De positiva jonerna är interkalenderat in prov, förmå mycket mer bärare i bulk. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2 : Enheten tillverkning av WS2 nanotube och flinga. (a) och (b) WS2 NT, som var första pulver konfiguration, sprids i IPA vätska. (c) fotografi av en enskild WS2 NT valts av optisk mikroskopi efter spridning av WS2 NT på substratet och omfattas av PMMA. (d) Schematisk bild av designade mönster för WS2 NT av AutoCAD. (e) fotografi enhet mönstret av en enskild WS2 NT efter electron beam litografi och utveckla processen. (f) fotografi av enheten av en enskild WS2 NT efter nedfallet av elektroder. (g) och (h) ett fotografi av WS2 bulk prover på ett band och ett fotografi av exfolierad WS2 prover efter vikning och utspelar sig bandet flera gånger. (i) ett fotografi av en WS2 flaga valts av optisk mikroskopi efter överföra den på substratet och omfattas av PMMA. (j) den schematiska figuren av designade mönster för en WS2 flake av AutoCAD. (k) fotografi enhet mönstret av en WS2 flaga efter electron beam litografi och utveckla processen. (l) ett fotografi av enheten av en WS2 flaga efter nedfallet av elektroder. (m) fotografi av en isolerad enhet efter ritsning och lyft processen. Den typiska enhet mönstret av enheten för elektrolyt gating visas. Utöver elektroder för transport mätningar, var en sida gate placerad nära provet. (n) fotografi av enheten på horisontella rotator efter tråd-bonding process. (o) fotografi av enheten efter tråd-bonding process. (p) fotografi av enheten för elektrolyt gating med en droplet jonisk vätska på toppen som omfattar både prov och sida gate elektroderna. (q) fotografi av typiska mätsystem (PC och system för mätning av fysikaliska egenskaper). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3 : Transistor drift, elektrokemiska interkalation och elektriska-fält-inducerad supraledning i WS2 nanotube och Råggröt anordning. (a) kurvan ambipolar överföring av WS2 NT vid 300 K. källa-avlopp spänning VDS är 0,2 mV och svepande hastighet av gate spänning VG är 50 mV/s. (b) kurvan ambipolar överföring av WS2 flake på 300 K. V DS är 0,1 V och svepande hastighet av gate spänning är 20 mV/s. c källa-drain nuvarande jagDS som en funktion av VG och väntetid under den elektrokemiska interkalering i WS2 NT. En mättnad beteende jagDS har observerats när ökar VG, och en andra dramatiskt i jagDS har observerats vid fasta VG under väntar par minuter. (d) jagDS på 300 K (vänster) och carrier densitet beräknad av Hall effekt på 200 K (höger) som en funktion av VG i WS2 flingan. Mättnad och andra ökning av IDS har också observerats i flingan. Carrier tätheten visar den stora ökningen i stora VG regionen, vilket tyder interkalation processen. (e) temperaturberoendet av motstånd av WS2 NT efter interkalation process. Supraledande övergången har observerats på 5,8 K. (f) temperaturberoendet av motstånd av WS2 flaga efter interkalation process. Supraledande övergången har observerats på 8 K. Alla siffror har reproduceras och modifierad från Qin, F. et al. och Shi, W. o.a. 38 , 50 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I både WS2 NTs och flingor, har vi framgångsrikt kontrolleras de elektriska egenskaperna av elektrostatiska eller elektronisk kemiska bärare dopning.

I elektrostatiska dopning region, har ambipolar transistor drift observerats. Sådana ambipolar överföring kurva med en hög tvåläges baserat (> 102) observerade i låg bias spänning visar effektiv transportören dopning på gränssnittet för elektrolyt Usenets teknik för tuning Fermi nivån på dessa system.

Även denna metod är fördelaktiga för trimning stor mängd operatörsnummer i små gate bias jämfört med den konventionella solida Usenets metoden, finns det flera begränsningar av denna teknik. Först, eftersom flygbolaget nummer kontroll realiseras via flytande grind, det är inte kunna stämma flygbolaget antalet under den frusna temperaturen elektrolyt/Joniska flytande12,28,29,30. Konventionella solida gate, däremot, är giltig för jämn låg temperatur, även om det inte är lika effektiva som elektrolyt/Joniska flytande gate i hög temperatur (nära rumstemperatur). För det andra, många material är kända för att visa den kemiska reaktionen med elektrolyt/Joniska flytande i särskilda villkor59,60,61,62,63. Sådana kemiska reaktion enkelt bryter enheterna och begränsar förhållandet framgångsrika experiment eller ansökan till material.

Människor har dock nyligen erkänt att den kemiska reaktionen kan hjälpa för framtida tillämpning, såsom kemisk etsning för gallring filmer59,60 och elektrokemiska interkalation för tungt elektron dopning9 ,11,34,38,50,51,52,53 och fas omvandling61,62 ,63. En liknande teknik har också anpassats för solid ion dirigent51,52,53 och även fotoaktiva EDLT har varit utvecklade64.

I regionen elektrokemiska dopning, har vi observerat den elektriska-fält-inducerad supraledning. Skillnaden av supraledande övergångstemperaturen WS2 NTs och flingor, vilket möjligen beror på de lägsta dimensionerna av NTs, bör drivas vidare i framtiden.

Som tydligt visats i resultaten av denna studie ger transportören kontrollen av de joniska flytande gating en kraftfull metod för att söka quantum fas övergången i nanomaterial.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Vi erkänner följande finansiella stöd; Bidrag för främjas speciellt forskning (nr 25000003) från JSPS, bidrag för forskning aktivitet start (No.15H06133) och utmanande forskning (förberedande) (nr. JP17K18748) från MEXT av Japan.

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

Fråga 134 elektrolyt Usenets elektrisk dubbla lager transistor interkalation supraledning ingenjörsvetenskap och övergång metall dichalcogenides TMDs volfram koldisulfid WS2 nanotube
Elektriska-fältet kontroll av elektroniska staterna i WS<sub>2</sub> nanomaskiner sig av elektrolyt Gating
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