Waiting
Login processing...

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

Engineering

Elektrisk-field kontrol af elektroniske stater i WS2 Nanodevices af 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

Vi præsenterer her, en protokol for at kontrollere Flyselskabet antallet i faste stoffer ved hjælp af elektrolytten.

Abstract

En metode til carrier nummer kontrol af elektrolyt gating er påvist. Vi har fået WS2 tynde flager med atomically flad overflade via scotch tape metode eller individuelle WS2 nanorør ved at sprede suspension af WS2 nanorør. De valgte prøver har været fremstillet i enheder ved brug af elektron beam litografi og elektrolyt er sat på enhederne. Vi har karakteriseret de elektroniske egenskaber af enheder under anvende gate spænding. I regionen lille gate spænding akkumuleres ioner i elektrolytten på overfladen af prøverne, der fører til det store elektriske potentielle drop og resulterende elektrostatisk doping på grænsefladen. Ambipolar overførsel kurve er blevet observeret i denne elektrostatisk doping region. Når porten spændingen er yderligere steget, mødte vi en anden drastisk forøgelse af kilde-afløb strøm, som indebærer, at ioner er imidlerid i WS2 lag og elektrokemiske carrier doping er realiseret. I sådanne elektrokemiske doping region, er blevet observeret superledning. Den fokuserede teknik giver en kraftfuld strategi for at nå elektriske-gemt-induceret quantum fase overgang.

Introduction

Kontrol af carrier antallet er den centrale teknik for at realisere quantum fase overgangen i tørstof1. I den konventionelle Felteffekttransistor (FET), er det opnåede ved brug af solid gate1,2. I sådan en indretning er elektriske potentielle gradient ensartet overalt i de dielektriske materialer så induceret carrier nummeret på grænsefladen er begrænset, vist i figur 1a.

På den anden side, kan vi opnå højere carrier massefylden ved grænseflade eller bulk ved at erstatte de solide dielektriske materialer med Ioniske geler/væsker eller polymer elektrolytter3,4,5,6, 7,8,9,10,11 (figur 1b). I den elektrostatiske doping ved brug af de ionisk væske, elektrisk tolags transistoren (EDLT) struktur er dannet på grænsefladen mellem ionisk væske og prøve, generere stærk elektrisk felt (> 0,5 V/Å) selv ved lav spænding på bias. Deraf følgende høje carrier tæthed (> 1014 cm-2) induceret på interface10,12,13 årsag den nye elektroniske egenskaber eller quantum fase overgang som elektrisk-felt-induceret ferromagnetism14, Coulomb blokade15, ambipolar transport16,17,18,19,20, 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, dannelse af PN krydset og deraf følgende electroluminance28,29,30, store graduering af termoelektriske beføjelser31,32, opkræve tæthed bølge og Mott overgange33,34,35, og El-felt-induceret insulator-metal overgang36,37 herunder El-felt-induceret superledning9 ,10,11,38,39,40,41,42,43,44 ,45,46,47,48,49.

I den elektrolyt gating (figur 1 c), ioner er ikke kun akkumuleret i grænsefladen til form EDLT, men kan også imidlerid i lag af to-dimensionelle materialer termisk vrangforestilling uden skadelige prøve under anvende store gate spænding, fører til den elektrokemiske doping8,9,11,34,38,50,51,52,53 . Således kan vi drastisk ændre carrier antallet i forhold til de konventionelle Felteffekttransistor ved hjælp af solid porten. Især er elektrisk-felt-induceret superledning9,11,34,38,50 realiseret ved hjælp af elektrolyt gating i regionen af store luftfartsselskab nummeret hvor vi ikke kan få adgang efter den almindelige metode, solid gating.

I denne artikel vil vi indføre denne unikke teknik af carrier nummer kontrol i faste stoffer og oversigt transistor drift og El-felt-induceret superledning i halvledende WS2 prøver som WS2 flager og WS2 nanorør54,55,56,57.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. spredning af WS 2 nanorør (NTs) på underlaget

  1. Sprede WS2 NT pulvere til isopropylalkohol (IPA, koncentration over 99,8%) med rette fortyndet forhold (ca. 0,1 mg/mL) ved hjælp af sonikering i 20 min.
    Bemærk: Den mangeårige sonikering hjælper at gøre WS2 NTs ensartet suspenderet i IPA væske og separat velformet individuelle WS2 NTs fra amorfe WS2 eller andre skrammel, samt at fjerne skrald akkumulere på WS2 NTs overflade. Figur 2b viser den endelige suspension af WS2 NTs. Da suspensionen kan opvarmes under sonikering proces, er det bedre at stoppe sonikering hver 5 min. og fortsætte sonikering efter 1 min.
  2. Spin-coating procedure til at sprede WS2 NTs på underlaget.
    1. Start spin-coater maskine og vakuumpumpe. Sætte en Si/SiO2 (3000 Å) substrat (1 cm x 1 cm) på midten af chuck og lave det af støvsuger med pumpe hastighed af 80 L/min og ultimative Tryk på 20 kPa.
      Bemærk: Der er et hul ligger i centrum af chuck tilslutning til vakuumpumpen, således underlaget er fastsat af vakuum pres (pumpe hastighed er 80 L/min og ultimative pres er 20 kPa). Det vakuum pres kan være anderledes afhængigt af pumpen.
    2. Angive relevante parametre af proceduren ved Kontrolpanel af spin-coater maskine.
      Bemærk: Der er tre trin i proceduren spin-coating: (1) langsomt hastighed op til 500 rpm inden for de første 3 s, (2) hurtig hastighed op til 4000 rpm og fortsætte til 50 s, (3) langsomt ned og stop spinning for de sidste 3 s. Disse parametre kan være anderledes afhængigt af spin-coater anvendelse.
    3. Sætte en dråbe (ca. 0,01 mL) af suspensionen af WS2 NT lavet i (1.1) med en pipette til underlaget, indtil substratet er fuldt dækket ved suspensionen (hvis ikke, sætte flere dråber). Derefter start spin-coating med relevante parametre i (punkt 1.2.2).

2. fremstilling af tynd flake på substrat via scotch tape metode

  1. Sætte en lille bulkprøven WS2 (vokset via kemiske dampe transportmåde) på scotch tape. Fold scotch tape og fold det langsomt at mekanisk eksfolierer det tynde lag fra hovedparten. Gentag denne procedure for flere gange, indtil de ekspanderet prøver er tynde nok.
    Bemærk: Figur 2 g og 2 h Vis indledende båndet med lidt bulkprøven WS2 og den endelige tape efter flere folde procedurer, hhv.
  2. Indsætte scotch tape på toppen substrat hovedet, lidt Tryk på båndet, og forsigtigt fjerne tapen fra toppen af substrat.
    Bemærk: Efter fjernelse af båndet, der er mange tynde flager tilbage på underlaget.

3. enhed fabrikation af elektron beam litografi.

  1. Spin-coating proces til at dække modstå for elektron beam litografi.
    1. Følg de samme spin-coating proceduren beskrevet i (1.2.1) og (1.2.2).
    2. Sætte en dråbe (ca. 0,04 mL) af polymethylmethacrylat (PMMA) med en pipette på underlaget indtil substratet er fuldt dækket af PMMA. Derefter starte spin-coating procedure for at jævnt dække PMMA på WS2 prøve at forhindre det i at blive eksponeret i luften.
      Bemærk: PMMA er en af modstår for elektron beam litografi.
    3. Efter spin-coating, sætte underlaget på varmeplade ved 180 ° C og varme den i 1 minut.
      Bemærk: Disse parametre kan være anderledes afhængigt af modstå typer.
  2. Udvælgelsen af stikprøver af Optisk mikroskopi.
    1. Start Optisk mikroskopi og kamera. Sætte underlaget på scenen.
    2. Flyt fase og scanne hele regionen i bærematerialet med ordentlig forstørrelse (20 X) og i mellemtiden, Vælg isoleret prøver med passende størrelse.
      Note: I alt 6 til 10 isolerede prøver kan normalt vælges for hver substrat 1 cm x 1 cm.
    3. Tage billeder af alle valgte udsnit med forskellige forstørrelse af 5 X 20 X og 100 X. Disse billeder bruges til at identificere placeringen af hver prøve.
  3. Design af den store enhed mønster.
    1. Aktivere programmet AutoCAD, og indlæse substrat gitter format. Indsæt billeder taget i (3.2) og identificere størrelsen og placeringen af hvert foto afhængigt af mærker på underlaget.
    2. Indsæt en stor firkant med længde på 1200 µm og en lille firkant med længde på 300 µm, der skal omgive hver prøve.
    3. Design store mønstre herunder gate, kilde, afløb og andre puder i det store torv med undtagelse af fine strukturer nær prøven. Design små mærker tæt på prøven til præcist at identificere placeringen af prøverne i den senere proces af design for mindre enhed mønster.
    4. Gentag (3.3.2) til (3.3.3) for hver prøve.
    5. Registrere koordinater i midten af hver store og små torv, henholdsvis.
    6. Slette isat fotos, store og små torve og substrat gitter format, forlader kun designet store mønstre og små mærker. Eksportere store mønstre og små mærker som dxf-filer.
  4. Første elektron beam litografi.
    1. Sætte underlaget på scenen og ordne det, og Indsæt fase i det vigtigste kammer i elektron beam litografi maskine.
    2. Aktivere ECA program (et program til at generere en fil, der bruges i elektron beam proces). Angive feltstørrelsen som 300 til litografi af små mærker. Brug værktøjet dxf Converter til at overføre dxf-fil til celle fil.
    3. Indlæse filen celle genereret i (3.4.2), Angiv filnavnet, identificere oprindelsen og identificere punkter med koordinater for små firkanter bemærkede i (3.3.5). Endelig, identificere koordinater af store A og B mærker og lille A og B markerer for hvert punkt.
      Bemærk: Store A og B mærker bruges til at korrigere retning af scenen, mens lille A og B mærker bruges til at identificere misforholdet mellem designet og trykt mønster, i løbet af processen af små mønster design.
    4. Gem filen som con fil og vente, indtil trykket inde det vigtigste kammer er lavere end 5 x 10-5 Pa.
      Bemærk: Fordi elektronstrålen er høj energi (50 kV af accelererende spænding), den høje kvalitet af vakuum er nødvendig.
    5. Når presset fra det vigtigste kammer bliver lav nok til elektron beam litografi proces, aktivere elektron beam Kontrolprogram ESL-7500 og derefter tænde elektronkanon.
    6. Tænd scanning elektron mikroskop (SEM) og flytte scenen til den placering, hvor underlaget er i skærmen. Indstille lysstyrke, kontrast og fokus.
    7. Justere vinklen på scenen ved at dømme ud fra den relative placering af store A og B mærker oprindeligt designet på underlaget, indtil fejlen i retning er ubetydelig på 5000 X ganges forstørrelse. Efter korrektion retning af scenen, registrere placeringen af den store en mark.
    8. Indstille amplitude af elektronstråle til litografi; 100 pA er for små mærker litografi. Flytte scenen til positionen i amplitude tuning og Vælg tilstanden spot for kameraet, ændre amplitude af elektronstråle, indtil den når 100 pA ampere metermål. Efter indstilling af amplituden af elektronstråle, indstille lysstyrke, kontrast og fokus.
    9. Load gemte con fil i (3.4.4) i ECA-program. Relevante parametre er angivet: 2 s for dosis tid og 300 for Feltstørrelse. Endelig starte eksponering proces.
      Bemærk: Dosis tid kan være forskellige afhængigt af modstå.
    10. Tilbage til elektron beam Kontrolprogram ESL-7500, indstille 5000 X Forstørrelse og flytte scenen til den registrerede position af de store en mark. Bekræfte placeringen af store A og B mærker.
    11. Indstille 30000 X Forstørrelse og bekræfte placeringen af lille A og B markerer for litografi af de første små mærker designet i (3.3.3).
      Bemærk: Litografi starter efter som små markerer og tager flere sekunder.
    12. Efter at have afsluttet litografi, Gentag denne procedure for alle prøver. På sidst, Afslut eksponering proces og lukke programmet ECA.
    13. Følg den samme proces fra (3.4.2) til (3.4.10) med forskellige parametre til litografi af den store mønster designet i (3.3.3). I (3.4.2), skal du angive feltstørrelsen som 1200. I (3.4.3), kun identificere koordinater af store A og B markerer bortset fra lille A og B mærker. I (3.4.8), skal du angive amplitude af elektronstråle som 1000 pA for litografi af den store mønster. (3.4.9), Vælg 1200 af Feltstørrelse.
      Bemærk: Efter processen med (3.4.10), litografi af den store mønster starter og tager det flere timer.
    14. Efter endt litografi af de store mønster, flytte scenen til den oprindelige position, slukke elektronstrålen og forlade eksponering proces og Revisionsretten program. Åbn det vigtigste kammer og tegne substratet.
  5. Først at udvikle.
    1. Gør en løsning af methyl isobutylacetophenon keton (MIBK) og IPA med forholdet mellem MIBK: IPA = 1:3. Dyp substrat i løsning til 30 s, og vask det af IPA væske og tørre det af kvælstof pistol.
      Bemærk: Udvikle tid kan ændres afhængigt af de miljømæssige forhold såsom temperatur og fugtighed.
    2. Tage billeder af Optisk mikroskopi for hver udskrevne mønster med forskellige forstørrelse af 5 X 20 X og 100 X.
  6. Design af små enhed mønster.
    1. Følg den samme proces i (3.3). I (3.3.1), indlæse mønster af substrat gitter herunder de designede små mærker i (3.3.3), og Indsæt fotos taget efter første udvikling.
      Bemærk: Størrelsen og placeringen af hvert foto afhænger af de små mærker designet i (3.3.3), i stedet for mærker på underlaget.
    2. Design finstrukturen enhed mønster med kilde, afløb og andre elektroder i små firkanter i en Hall bar konfiguration, som er forbundet til det udskrevne mønster, stor. Efter at designe små mønstre for alle enheder, registrere koordinaterne for små firkanter.
    3. Slette isat fotos, små firkanter og substrat mønster, forlader kun de designede små mønstre. Eksportere den lille mønster som dxf-fil.
  7. Anden elektron beam litografi.
    1. Følg den samme proces fra (3.4.1) til (3.4.11) med de samme parametre for litografi af den lille mønster designet i (3.6); Indstil 300 for Feltstørrelse og vælg 100 pA for elektronstråle amplitude.
      Bemærk: Litografi proces tager flere minutter for hver lille mønster.
    2. Efter litografi af små mønster, flytte scenen til den oprindelige position, slukke elektronstrålen, Afslut eksponering proces og lukke programmet ECA. Åbn det vigtigste kammer og tegne substratet.
  8. For det andet at udvikle.
    1. Følg den samme proces i (3,5) med den samme udvikling tid som 30 s.
    2. Tage billeder af Optisk mikroskopi for hvert mønster med forskellige forstørrelse af 5 X 20 X og 100 X.

4. aflejring af elektroder

  1. Deposition af guld elektroder.
    1. Fix underlaget på substrat indehaveren, sætte substrat indehaveren på overførsel stang, og indsætte det i det vigtigste kammer i fordamperen. Start roterende indehaveren af substrat.
    2. Første indbetaling Cr 5 nm i tykkelse som vedhæftning lag. Når trykket inde det vigtigste kammer bliver mindre end 10-4 Pa, tænde for høj spændingskilde.
    3. Øge nuværende af elektronkanon nøje med de faste accelererende spænding på 4 kV, indtil deponering hastigheden målt efter tykkelse skærm bliver stabilt omkring 0,5 Å/s (normalt præ fordampe Cr omkring 5 nm).
    4. Åbn lukkeren og deponere Cr, indtil den når 5 nm i tykkelse. Lukke lukkeren, langsomt sænke nuværende af elektronkanon til nul, og slukke høj spændingskilde.
    5. Efterfølgende Indbetal Au af passende tykkelse. Tænd for den aktuelle kilde og øg langsomt strøm op til 30 A. fordampe Au ved at holde nuværende 30 A, indtil deponering hastigheden målt efter tykkelse skærm bliver stabilt omkring 1 Å/s (normalt præ fordampe Au på omkring 10 nm).
    6. Åbn lukkeren og begynde at deponere Au. Efter at nå den ønskede tykkelse, lukke lukkeren, langsomt sænke nuværende til nul og slukke den aktuelle kilde.
      Bemærk: Vi bruger 60 nm for tynde flake og 90 nm for NT. Den ønskede snittykkelse afhængig af prøven.
    7. Da underlaget er varmet op under deposition proces, forblive substrat inde i kammeret for 1 h for at køle ned dets temperatur til nær stuetemperatur. Stoppe roterende substrat indehaveren og tage det af overførsel stang.
  2. Deposition af SiO2 beskyttelse lag.
    1. Ved hjælp af Optisk mikroskopi, dække puder og gate elektroder af tape.
      Bemærk: I princippet kun i fine strukturer af elektroder er udsat for indbetaling SiO2 lag til beskyttelse af elektroderne mod den kemiske reaktion under elektrolyt gating.
    2. Følg den samme proces fra (4.1.1) til (4.1.4) til at deponere Cr 5 nm i tykkelse som vedhæftning lag.
    3. Senere følger samme proces fra (4.1.1) til (4.1.4) til at deponere SiO2 af 20 nm i tykkelse.
      Bemærk: Deponering SiO2 er ca. 1 Å/s, mens præ fordamper SiO2 på omkring 10 nm.
    4. Køle ned substrat inde i kammeret for 1 h. Stop roterende substrat indehaveren og tage det af overførsel stangen. Fjern tapen under mikroskopi.

5. afslutning af enheden

  1. Substrat scribing.
    1. Tænd for scribing maskine og vakuumpumpe med pumpe hastighed af 50 L/min. og ultimative Tryk på 30 kPa. Fix underlaget på scenen af vakuum chuck og justere vinklen og placeringen af underlaget.
    2. Skriver underlaget i små stykker (normalt omkring 3 mm x 3 mm).
      Bemærk: Størrelsen på hvert stykke afhængigt af placeringen af hver valgte prøve og designet mønsteret.
  2. Enheden lift-off.
    1. Vælg en enhed og fordybe den i acetone (koncentration mere end 99,5%) i 1 time ved stuetemperatur til at fjerne overflødige PMMA og guld. Kun de opdigtede elektroder er tilbage på underlaget.
    2. Efter lift-off proces, vaske substrat af IPA og tørre det af kvælstof pistol.
  3. Wire-bonding.
    1. Drej på wire-bonding maskine. Fix underlaget på chip-carrier via splint pasta.
      Bemærk: For WS2 NT sag, vi bruger vandrette rotator vist i figur 2n.
    2. Ved hjælp af wire-bonding maskine, tilslutte hver elektrode pad og elektrode chip luftfartsselskab én efter én med en guld tråd.
  4. Elektrolyt droplet sætte.
    1. Sætte en dråbe af elektrolyt (mindre end 0,5 µL) på toppen af enheden af en pincet efter dypning i elektrolyt væske.
      Bemærk: Mængden af elektrolyt er meget lidt; Det dækker fine strukturen af enhed og gate pad undgår men dækker elektrode puder. Vi bruger elektrolyt i KClO4 (koncentration mere end 99%) opløses i polyethylenglycol (PEG; Mw = 600) med et [K]: [O] forholdet 1:20 ifølge den tidligere publikation38.

6. transport målinger

  1. Fix chip-carrier på prøveholderen, og lægge det inde i salen af fysiske egenskaber målesystem ved overførsel stangen. Pump kammeret ved den høje vakuum tilstand.
  2. Tilslut målesystem herunder lock-in forstærkere, nano-voltmeter, kilde meter og forstærker. Anvende en konstant vekselstrøm (AC) med hyppigheden af 13 Hz til at udføre målinger AC-lock-in.
  3. Kør programmet Keysight VEE (måling programmer).
  4. I målingen af gate svar, når gate spænding er anvendt til elektrolytten (dvs., mellem kilde og gate elektroder), feje gate spænding med hastighed på 50 mV/s på 300 K, under high-vacuum tilstand at reducere indflydelsen af luften på den gating ydeevne.
  5. I måling af temperatur afhængighed af modstand, først køle ned til 200 K med den afkøling hastighed 1 K/min. i high-vacuum tilstand, og derefter ændre den han-udrenset betingelse og holde køle ned til 10 K med den afkøling hastighed 1 K/min.. Når temperaturen er lavere end 10 K, køle og varme op med hastighed på 0,2 K/min.
    Bemærk: I den He-udrenset betingelse, termisk ledningsevne og deraf følgende temperatur stabilitet er bedre end dem i high-vacuum tilstand.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De typiske transistor operationer af en individuel WS2 NT og en WS2 flake enheder er vist i figur 3a og 3b, henholdsvis, hvor kilden dræne nuværende (jegDS) som en funktion af gate spænding (V G) pænt opererer i en ambipolar tilstand, viser en bemærkelsesværdig kontrast til unipolære gate svar af den konventionelle solid låge FET i tidligere publikation58. I betragtning af den ambipolar adfærd er reversible og repeterbare, er disse transistor operationer sandsynligvis på grund af den elektrostatiske doping. I den elektrostatiske doping, er ioner akkumuleret på overfladen af prøverne, der fører til det store elektriske potentielle drop og deraf følgende doping på grænsefladen (figur 1b).

Elektrokemiske doping af intercalation (figur 1 c), på den anden side er realiseret i store gate spænding region, forårsager langt højere elektron koncentration i hovedparten af stikprøven, i stedet for på overfladen af prøven af elektrostatiske doping. En typisk intercalation proces er vist i figur 3 c. Når porten spændingen øges først op til 8 V med en konstant hastighed på 50 mV/s, viser jegDS en mætning adfærd med angivelse af den elektrostatiske doping, ligeledes den 2D WS2 sag som vist på figur 3b. Når porten spænding er holdt på 8 V for et par minutter, en anden drastisk forøgelse af jegDS af mere end to størrelsesordener er blevet observeret som vist i figur 3 c. Denne kilde afløb nuværende stigning tilskrives formentlig intercalation af K+ ioner desarmere WS2 lag uden at beskadige krystalstruktur. Denne proces forårsager langt højere carrier koncentration i bulk sammenlignet med den elektrostatiske doping på overfladen.

Som vist i figur 3d, indså den lignende intercalation proces også i WS2 flake. Når porten spændingen øges først op til 6 V, viser jegDS en lignende mætning adfærd. På den anden side ændrer carrier tæthed anslået af Hall-effekten markant ikke, viser den samme mætning adfærd. Når porten spændingen bliver højere end 6 V, jegDS stiger igen på grund af forekomsten af intercalation, som er sikret ved den tydelig stigning af carrier tæthed.

Temperatur dependences modstand af WS2 NTs og flager efter elektrokemiske doping er vist i figur 3e og 3f, henholdsvis. I begge tilfælde modstanden viser den metalliske adfærd og superledning vises i lav temperatur region.

Figure 1
Figur 1 : Illustration af elektrolyt gating. a den skematiske figur af konventionelle Felteffekttransistor af solid gate. (b) den skematiske figur af elektrostatiske doping af elektrolyt gating. Af tage placere den solide dielektrisk intermedium i elektrolytten, er elektrostatiske doping effekten mere effektiv da dielektricitetskonstant væske er meget større end solid. En lang række luftfartsselskaber er akkumuleret på overfladen af prøven. (c) den skematiske figur af elektrokemiske doping af elektrolyt-gating-induceret intercalation. De positive ioner er imidlerid i prøven, inducerende langt flere luftfartsselskaber i bulk. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Enhed fabrikation af WS2 nanorør og flake. (a) og (b) WS2 NT, som var første pulver konfiguration, er spredt i IPA væske. (c) et fotografi af en individuel WS2 NT udvalgt af Optisk mikroskopi efter dispersion af WS2 NT på underlaget og er omfattet af PMMA. (d) den skematiske figur af designet mønsteret for WS2 NT af AutoCAD. (e) fotografi af enheden mønster af en individuel WS2 NT efter elektron beam litografi proces og udvikling proces. (f) fotografi af enheden af en individuel WS2 NT efter aflejring af elektroder. (g) og (h) fotografi af WS2 bulk prøver på et bånd, og et fotografi af ekspanderet WS2 prøver efter foldning og udfoldning tape flere gange. (i) et fotografi af en WS2 flake udvalgt af Optisk mikroskopi efter overføre det ind på underlaget og er omfattet af PMMA. (j) den skematiske figur af designet mønsteret for en WS2 flake af AutoCAD. (k) fotografi af enheden mønster af en WS2 flake efter elektron beam litografi proces og udvikling proces. (l) fotografi af enheden af en WS2 flake efter aflejring af elektroder. (m) fotografi af en isoleret enhed efter scribing lift-off og installationsprocessen. Den typiske enhed mønster af enheden for elektrolyt gating er vist. Ud over elektroder til transport målinger, var en side porten placeret i nærheden af prøven. (n) fotografi af enheden på den vandrette rotator efter wire-bonding proces. o fotografiet af enheden efter wire-bonding proces. (p) fotografi af enhed for elektrolyt gating med en dråbe af ionisk væske på toppen der dækker både prøve og side gate elektroder. (q) fotografi af typiske målesystemer (PC og fysiske egenskaber målesystem). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Transistor drift, elektrokemiske intercalation og elektrisk-felt-induceret superledning i WS2 nanorør og flake enhed. en a ambipolar overførsel kurve af WS2 NT ved 300 K. kilde-afløb spænding VDS er 0,2 mV og fejende hastighed af gate spænding VG er 50 mV/s. (b) ambipolar overførsel kurve af WS2 flake ved 300 K. V DS er 0,1 V og fejer hastighed af gate spænding er 20 mV/s. c kilde-afløb nuværende jegDS som en funktion af VG og ventetid under den elektrokemiske intercalation i WS2 NT. En mætning opførsel af jegDS er blevet observeret når stigende VG, og en anden dramatisk stigning af jegDS er blevet observeret på faste VG under venter par minutter. (d) jegDS på 300 K (venstre) og carrier tæthed anslået af Hall-effekten til 200 K (til højre) som en funktion af VG i WS2 flake. Mætning og anden stigning iDS har overholdt også i flake. Carrier tæthed viser den store stigning i store VG region, der angiver intercalation proces. e a temperatur afhængighed af resistens hos WS2 NT efter intercalation proces. Superledende overgangen har været observeret på 5,8 K. (f) temperatur afhængighed af resistens hos WS2 flake efter intercalation proces. Superledende overgangen har været observeret på 8 K. Alle tallene er blevet gengivet og ændret fra Qin, F. et al. og Shi, m. et al. 38 , 50 Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I både WS2 NTs og flager, har vi med succes kontrolleres de elektriske egenskaber af elektrostatiske eller electro kemiske luftfartsselskab doping.

I elektrostatisk doping region, er blevet observeret ambipolar transistor operation. Sådanne ambipolar overførsel kurve med en high on/off forhold (> 102) observeret i lav bias spænding angiver den effektive carrier doping på grænsefladen af elektrolyt gating teknik for tuning Fermi niveau af disse systemer.

Selvom denne metode er som fordelagtigt for tuning store beløb af carrier nummer i lille gate bias sammenlignet med konventionelle faste gating metode, er der flere begrænsninger i denne teknik. Først, fordi kontrolelementet luftfartsselskab er realiseret via flydende gate, det er ikke købedygtig tune carrier antallet under den frosne temperatur af elektrolyt/ionisk væske12,28,29,30. Konventionelle solid gate, på den anden side er gyldig for selv lav temperatur, selv om det ikke er så effektiv som elektrolyt/ionisk væske gate i høje temperaturer (nær stuetemperatur). For det andet, mange materialer er kendt for at vise den kemiske reaktion med elektrolyt/ionisk væske i specifikke betingelser59,60,61,62,,63. Sådanne kemiske reaktion nemt bryder enhederne og begrænser vellykket forholdet mellem eksperimenter eller anvendelsen af materialer.

Men folk har for nylig anerkendt, at den kemiske reaktion kan bidrage til den fremtidige anvendelse, såsom kemisk ætsning for tyndere film59,60 og elektrokemiske intercalation for stærkt elektron doping9 ,11,34,38,50,51,52,53 og fase transformation61,62 ,63. En lignende teknik er også blevet tilpasset for solid ion dirigent51,52,53 og endda photoactive EDLT har været udviklede64.

I regionen elektrokemiske doping har vi observeret den elektriske-felt-induceret superledning. Forskellen af superledende overgang temperaturen mellem WS2 NTs og flager, som måske skyldes den lavere dimensionalitet af NTs, bør yderligere forfølges i fremtiden.

Som klart demonstreret i resultaterne af denne undersøgelse giver carrier nummer kontrol af den ioniske flydende gating en kraftfuld metode til at søge quantum fase overgang i nanomaterialer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Vi anerkender følgende finansielle støtte; Licensbetaling for specielt fremmes forskning (No. 25000003) fra JSP'ER, licensbetaling for forskning aktivitet opstart (No.15H06133) og udfordrende forskning (sonderende) (nr. JP17K18748) fra MEXT af 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

Engineering overgang spørgsmål 134 elektrolyt gating elektriske tolags transistoren intercalation superledning metal dichalcogenides TMDs wolfram disulphide WS2 nanorør
Elektrisk-field kontrol af elektroniske stater i WS<sub>2</sub> Nanodevices af 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