JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Elektrische-veldbesturingselement van elektronische Staten in WS2 nanoapparaten door het elektrolyt Gating

Published: April 12, 2018
doi:
10.3791/56862
, , , , , , ,
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

Hier presenteren we een protocol om te controleren het verbindingsnummer in vaste stoffen met behulp van de elektrolyt.

Abstract

Een methode van vervoerder nummer controle door het elektrolyt gating wordt aangetoond. Wij hebben WS2 dunne vlokken met beide plat oppervlak via plakband methode of individuele WS2 nanotubes verkregen door het verspreiden van de opschorting van WS2 nanobuisjes. De geselecteerde monsters hebben zijn gefabriceerd in apparaten door het gebruik van de electron beam lithografie en elektrolyt wordt gelegd op de apparaten. We hebben gekenmerkt dat de elektronische eigenschappen van de apparaten uit onder de poort spanning toe te passen. In de kleine poort spanning regio, worden ionen in de elektrolyt verzameld op het oppervlak van de monsters die leidt tot de grote elektrische potentiële drop en resulterende elektrostatische vervoerder doping in de interface. Ambipolar overdracht kromme geconstateerd in deze elektrostatische doping regio. Wanneer de spanning van de poort verder wordt verhoogd, ontmoetten we een andere drastische verhoging van de huidige bron-afvoer wat inhoudt dat ionen worden tussenliggende in lagen van WS2 en elektrochemische vervoerder doping wordt gerealiseerd. In zo’n elektrochemische doping regio, supergeleiding geconstateerd. De gerichte techniek biedt een krachtige strategie voor de verwezenlijking van de faseovergang elektrische geplaatst-geïnduceerde quantum.

Introduction

Controle van het verbindingsnummer is de belangrijkste techniek voor het realiseren van de quantum faseovergang in vaste stoffen1. In de conventionele veld effect transistor (FET), is het bereikt door het gebruik van de solide gate1,2. In zulk een apparaat is de elektrische potentiële verloop uniform in de gehele de diëlektrische materialen dus die geïnduceerde verbindingsnummer op het raakvlak beperkt is, getoond in Figuur 1a.

Aan de andere kant, kunnen wij de hogere dichtheid van de vervoerder op het raakvlak of bulk door vervanging van de vaste diëlektrische stoffen met Ionische gels/vloeistoffen of polymeer elektrolyten3,4,5,6, 7,8,9,10,11 (Figuur 1b). De elektrostatische doping door gebruik van de Ionische vloeistof, elektrische dubbele lagenstructuur transistor (EDLT) wordt gevormd op het raakvlak tussen Ionische vloeistof en steekproef, het genereren van sterke elektrisch veld (> 0,5 V/Å) zelfs bij bias laagspanning. Daaruit voortvloeiende hoge vervoerder dichtheid (> 1014 cm-2) veroorzaakte op de interface10,12,13 oorzaak zoals de nieuwe elektronische eigenschappen of quantum faseovergang elektrische-veld-geïnduceerde Ferromagnetisme14, Coulomb blokkade15, ambipolar vervoer16,17,18,19,20, 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, vorming van p-n junction en resulterende electroluminance28,29,30, grote modulatie van Thermo-elektrische bevoegdheden31,32, opladen dichtheid Golf en Mott overgangen33,34,35, en elektrische-veld-geïnduceerde isolator-metal overgang36,37 , met inbegrip van elektrische-veld-geïnduceerde supergeleiding9 ,10,11,38,39,40,41,42,43,44 ,45,46,47,48,49.

In de elektrolyt gating (Figuur 1 c), ionen zijn niet alleen op de interface aan formulier EDLT opgebouwd, maar kunnen ook in lagen van tweedimensionale materialen via thermische verspreiding zonder schadelijke monster onder toepassing van de spanning van de grote poort, worden tussenliggende leidt tot de elektrochemische doping8,9,11,34,38,50,51,52,53 . Zo kunnen we het verbindingsnummer dat in vergelijking met de conventionele veld effect transistor met behulp van de vaste poort drastisch veranderen. In het bijzonder wordt de elektrische-veld-geïnduceerde supergeleiding9,11,34,38,50 gerealiseerd door gebruik van het elektrolyt gating in regio van de grote vervoerder nummer waar we geen toegang hebben tot de conventionele methode voor solide gating.

In dit artikel, introduceren we deze unieke techniek voor vervoerder nummer control in vaste stoffen en overzicht de transistor werking en elektrische-veld-geïnduceerde supergeleiding in halfgeleidende WS2 monsters zoals WS2 vlokken en WS2 Nanobuizen54,55,56,,57.

Protocol

1. de verspreiding van WS 2 Nanotubes (NTs) op substraat Dispergeren WS2 NT poeders in isopropylalcohol (IPA, concentratie meer dan 99,8%) met juiste verdunde verhouding (ongeveer 0,1 mg/mL) met het ultrasoonapparaat voor 20 min.Opmerking: De lange tijd ultrasoonapparaat helpt om WS2 NTs uniform geschorst in IPA vloeistof en aparte welgevormde individuele WS2 NTs van amorfe WS2 of andere troep, evenals voor het verwijderen van het afval accumulatie op W…

Representative Results

De typische transistor operaties van een individuele WS2 NT en een WS2 vlok-apparaten worden weergegeven in Figuur 3a en 3b, respectievelijk, waar de bron drain stroom (ikDS) als een functie van de spanning van de poort (V G) mooi is actief in een ambipolar-modus, een opmerkelijk contrast met de reactie van de unipolaire poort van de conventionele solide gated FET in eerdere publi…

Discussion

In zowel WS2 NTs en vlokken, hebben we met succes de elektrische eigenschappen gecontroleerd door elektrostatische “of” electro chemische vervoerder doping.

Elektrostatische doping regio, ambipolar transistor operatie geconstateerd. Dergelijke ambipolar overdracht kromme met een hoog in- / uitschakelen verhouding (> 102) waargenomen in lage bias spanning geeft aan de daadwerkelijke vervoerder doping op het raakvlak van elektrolyt gating techniek voor het afstemmen van de …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wij erkennen dat de volgende financiële ondersteuning; Grant-in-Aid voor bevorderd speciaal onderzoek (nr. 25000003) van JSPS, Grant-in-Aid voor onderzoek activiteit opstart (No.15H06133) en uitdagende onderzoek (experimentele) (nr. JP17K18748) van MEXT van Japan.

Materials

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

Electric-field ControlElectronic StatesWS2 NanodevicesElectrolyte GatingQuantum Phase TransitionsElectric-field-induced SuperconductivityTungsten Disulfide NanotubesTungsten Disulfide FlakesPMMA CoatingSpin-coating

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image