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-kontroll av elektroniske stater i WS2 Nanodevices av elektrolytt 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

Her presenterer vi en protokoll for å kontrollere hvor transportør i faste stoffer ved hjelp av elektrolytt.

Abstract

En metode for carrier nummer kontroll av elektrolytt gating er demonstrert. Vi har fått WS2 tynn flak med atomically flate via plasteret metoden eller personlige WS2 nanorør av spre suspensjon av WS2 nanorør. Valgte prøvene har fabrikkert i enheter ved bruk av elektron strålen litografi og elektrolytt er lagt på enhetene. Vi har preget elektronisk egenskapene til enhetene under bruke gate spenning. I regionen liten gate spenning akkumuleres ioner i elektrolytten på overflaten av prøvene som fører til stor elektrisk potensielle drop og resulterende elektrostatisk transportør doping i grensesnittet. Ambipolar overføring kurven er observert i denne elektrostatisk doping regionen. Når gate spenning videre økes, møtte vi en drastisk økning av kilde-avløpet dagens som innebærer at ioner er under Sommer i lag WS2 og elektrokjemiske carrier doping er realisert. I slike elektrokjemiske doping regionen, har superleder blitt observert. Fokusert teknikken gir en kraftig strategi for å oppnå elektrisk-arkivert-indusert quantum fase overgangen.

Introduction

Kontroll av forvalgskoden er den viktig teknikken for å realisere quantum fase overgangen i tørrstoff1. I konvensjonell feltet effekt transistor (FET) oppnås det ved bruk av solid gate1,2. I slike en enhet er elektrisk potensielle gradering uniform gjennom dielektriske materialer slik at indusert carrier nummer på grensesnittet er begrenset, vist i figur 1a.

På den annen side, kan vi oppnå høyere carrier tetthet grensesnittet eller bulk ved å erstatte solid dielektriske materialer med ionic gels/væsker eller polymer elektrolytter3,4,5,6, 7,8,9,10,11 (figur 1b). I elektrostatisk doping ved bruk av ionisk væsken, elektrisk dobbeltlag transistor (EDLT) strukturen er dannet på grensesnittet mellom ioniske væske og utvalg, genererer sterke elektromagnetiske felt (> 0,5 V/Å) selv ved lave bias spenning. Resulterende høy carrier tetthet (> 1014 cm-2) indusert på grensesnittet10,12,13 årsaken romanen elektroniske egenskaper eller quantum fase overgangen som elektrisk-feltet-indusert ferromagnetism14, Coulomb blokaden15, ambipolar transport16,17,18,19,20, 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, dannelsen av p-n junction og resulterende electroluminance28,29,30, store modulering av termoelektrisk krefter31,32, lade tetthet wave og Mott overganger33,34,35, og elektrisk-feltet-indusert isolator metall overgang36,37 inkludert elektrisk-feltet-indusert superleder9 ,10,11,38,39,40,41,42,43,44 ,,45,,46,,47,,48,,49.

I den elektrolytt gating (figur 1 c), ioner bare er akkumuleres ikke i grensesnittet til EDLT-skjemaet, men kan være også under Sommer i lag av todimensjonal materialer via termisk diffusjon uten skadelige prøve under bruke stor gate spenning, fører til den elektrokjemiske doping8,9,11,34,38,50,51,52,53 . Dermed kan vi drastisk endre hvor transportøren sammenlignet med konvensjonelle feltet effekt transistor med solid porten. Spesielt er den elektrisk-felt-indusert superleder9,11,34,38,50 realisert ved bruk av elektrolytt gating i regionen av store nummeret der vi ikke tilgang av konvensjonelle solid gating metoden.

I denne artikkelen vi introdusere denne unike teknikk carrier nummer kontroll i faste stoffer og oversikt transistor operasjonen og elektrisk-feltet-indusert superleder i semiconducting WS2 eksempler som WS2 flak og WS2 nanorør54,55,56,57.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

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

  1. Spre WS2 NT pulver i isopropyl alkohol (IPA, konsentrasjon mer enn 99.8%) med riktige utvannet forholdet (ca 0,1 mg/mL) av sonication for 20 min.
    Merk: Den langsiktige sonication hjelper å gjøre WS2 NTs jevnt suspendert i IPA væske og separat velformet personlige WS2 NTs amorfe WS2 eller andre juks, samt å fjerne søppel samler på WS2 NTs overflaten. Figur 2b viser siste suspensjon av WS2 NTs. Siden suspensjon kan bli varmet opp under sonication prosessen, er det bedre å stoppe sonication hvert 5 minutter og fortsette sonication etter 1 min.
  2. Spin belegg prosedyre å spre WS2 NTs på underlaget.
    1. Start spin-coater maskin og vakuumpumpe. Sette en Si/SiO2 (3000 Å) substrat (1 cm x 1 cm) på midten av chuck og fikse det av vakuum med pumping fart på 80 L/min og endelig presset av 20 kPa.
      Merk: Det er et hull ligger i sentrum av chuck kobler til vakuumpumpe, dermed underlaget er bestemt av tomrommet trykket (pumpe hastighet er 80 L/min og ultimate trykket er 20 kPa). Det tomrommet trykket kan være forskjellig avhengig av pumpen.
    2. Angi relevante parametere av prosedyren ved kontrollpanelet på spin-coater maskinen.
      Merk: Det er tre trinn under spinn belegg prosedyren: (1) sakte fart opp til 500 rpm innenfor de første 3 s, (2) raskt hastighet opptil 4000 rpm og fortsette 50 s, (3) sakte ned og stoppe spinne for de siste 3 s. Disse parametrene kan være forskjellig avhengig av bruken av spin-coater.
    3. Sette en dråpe (om lag 0,01 mL) suspensjon av WS2 NT laget i (1.1) av en pipette på underlaget før underlaget er fullstendig dekket av suspensjon (hvis ikke sette mer dråper). Deretter start spin-belegg med relevante parametere i (1.2.2).

2. utarbeidelse av tynne flake på substrat plasteret metoden

  1. Sett en liten prøve av WS2 (vokst via kjemiske damp transportmåte) på teip. Brett teip og utvikler seg langsomt å mekanisk exfoliate tynne lag fra hoveddelen. Gjenta denne fremgangsmåten for flere ganger, til exfoliated utvalgene er tynn nok.
    Merk: Figur 2 g og 2 h viser første tape med liten prøve av WS2 og siste båndet etter flere folding prosedyrer, henholdsvis.
  2. Innliming plasteret på underlaget opp ned, litt trykke båndet og nøye fjerne tapen fra toppen av underlaget.
    Merk: Etter fjerner tape, det er mange tynne flak igjen på underlaget.

3. apparat fabrikasjon av elektron strålen litografi.

  1. Spin-belegg prosess å dekke resist for elektron strålen litografi.
    1. Følg samme spinn belegg fremgangsmåten beskrevet under (1.2.1) og (1.2.2).
    2. Sette en dråpe (ca 0.04 mL) av polymetylmetakrylat methacrylate (PMMA) av en pipette på underlaget før underlaget er fullstendig dekket av PMMA. Deretter start spinn belegg prosedyre for å jevnt dekke PMMA på WS2 prøve å hindre den fra å eksponeres i luften.
      Merk: PMMA er en av motstår for elektron strålen litografi.
    3. Etter spinn-belegg, sette underlaget på hot-plate på 180 ° C og varme den i 1 minutt.
      Merk: Disse parametrene kan være forskjellig avhengig av motstå typer.
  2. Eksempel utvalg av optiske mikroskopi.
    1. Start optisk mikroskopi og kameraet. Sette underlaget på scenen.
    2. Flytte scenen og skanne hele regionen av underlaget med riktig forstørrelse (20 X) og i mellomtiden, Velg isolert prøver med passende størrelse.
      Merk: Totalt 6 til 10 isolerte prøver kan vanligvis velges for hver substrat på 1 cm x 1 cm.
    3. Ta bilder av hvert valgte utvalg med forskjellige forstørrelse 5 X, 20 X og 100 X. Bildene brukes til å identifisere plasseringen til hvert utvalg.
  3. Utformingen av store enheten mønsteret.
    1. Aktivere AutoCAD programvaren og laste inn formatet på underlaget gitter. Sett inn bilder tatt i (3,2) og identifisere størrelsen på og plasseringen av hvert bilde avhengig av merkene på underlaget.
    2. Sette inn en stor firkant med lengde på 1200 µm og en liten firkant med lengden på 300 µm som bør omgir hvert utvalg.
    3. Store designmønstre, inkludert gate, kilde, avløp og andre pads i den store plassen bortsett fra fine strukturer i nærheten av prøven. Utforme små merkene nær prøven å nøyaktig identifisere plasseringen av prøvene i senere prosessen av design for småskala enheten mønsteret.
    4. Gjenta (3.3.2) til (3.3.3) for hvert utvalg.
    5. Registrere koordinatene til midten av hver store og små kvadrat, henholdsvis.
    6. Slette innsatte bilder, store og små firkanter og underlaget gitter format, slik at bare designet store mønstre og små merkene. Eksportere store mønstre og små merkene som dxf-filer, henholdsvis.
  4. Første elektron strålen litografi.
    1. Sette underlaget på scenen og fikse det, og scenen inn de viktigste kammer av elektron strålen litografi maskin.
    2. Aktivere ECA programmet (et program for å generere en fil som brukes i elektron strålen prosessen). Angi Feltstørrelse som 300 for litografi av små merkene. Bruk verktøyet dxf omformer for å overføre dxf-fil til celle fil.
    3. Laste inn celle-fil som er generert i (3.4.2), angi filnavnet, identifisere opprinnelse og identifisere poeng med koordinater for små firkanter i (3.3.5). Til slutt, identifisere koordinatene til stor A og B merker og liten A og B merker for hvert punkt.
      Merk: Den store A og B merkene brukes til riktig retning av scenen, mens små A og B merker brukes til å identifisere misforholdet mellom designet mønster og utskrevne mønsteret, under av små-skala mønster design.
    4. Lagre filen som con fil og vent til trykket inne hovedkammeret er lavere enn 5 x 10-5 Pa.
      Merk: Fordi elektronstråle er høy energi (50 kV akselererende spenning), den høye kvaliteten på vakuum er nødvendig.
    5. Når trykket av hovedkammeret blir lavt nok for elektron strålen litografi prosessen, aktivere elektron strålen styreprogrammet ESL-7500 og senere slår på electron pistolen.
    6. Slå på scanning elektron mikroskop (SEM) og flytte scenen til posisjonen der underlaget er i skjermen. Justere lysstyrken, kontrasten og fokus.
    7. Justere vinkelen på scenen av dømme den relative plasseringen av store A og B merker konstruert på underlaget før feil retning er ubetydelig på forstørrelse 5000 X. Etter korrigere retning av scenen, registrere plasseringen av de store et merke.
    8. Angi amplituden til elektronstråle for Litografi; 100 pA er for små merkene litografi. Flytte scenen til posisjon for amplituden tuning og velg spot modus for kameraet, endre amplituden til elektronstråle før den når 100 pA av ampere meter. Når amplituden til elektronstråle, justere lysstyrken, kontrasten og fokus.
    9. Laste inn lagrede con fil i (3.4.4) i ECA programmet. Angi relevante parametere: 2 s for dose etter 300 for Feltstørrelse. Endelig starte eksponering prosessen.
      Merk: Dose tid kan være forskjellig avhengig av resist.
    10. Tilbake til elektron strålen styreprogrammet ESL-7500, angi 5000 X av forstørrelse og flytte scenen til registrerte plasseringen av den store et merke. Kontroller plasseringen av den store A og B merker.
    11. Angi 30000 X forstørrelsesnivået og Bekreft plasseringen av små A og B markerer for litografi av første små merkene i (3.3.3).
      Merk: Litografi starter etter samsvar små markerer og tar flere andre.
    12. Når litografi, Gjenta dette for alle utvalg. På sist, Avslutt eksponering prosessen og lukke ECA programmet.
    13. Følg samme fremgangsmåte fra (3.4.2) til (3.4.10) med ulike parametre for litografi av store mønster designet i (3.3.3). I (3.4.2), angi Feltstørrelse som 1200. I (3.4.3), bare identifisere koordinatene til store A og B markerer unntatt små A og B merker. I (3.4.8), kan du angi amplituden til elektronstråle som 1000 pA for litografi av store mønster. (3.4.9), Velg 1200 av Feltstørrelse.
      Merk: Etter prosessen med (3.4.10), litografi av store mønsteret starter og tar flere timer.
    14. Etter endt litografi av store mønster, flytte scenen til den opprinnelige plasseringen, slå av elektron strålen, og Avslutt eksponering prosessen og ECA programmet. Åpne hovedkammeret og ta ut underlaget.
  5. Først utvikle.
    1. Lage en løsning av methyl isobutyl ketoner (MIBK) og IPA med forholdet mellom MIBK: IPA = 1:3. Dypp underlaget i løsningen for 30 s, og vaske det av IPA væske og tørke det ved nitrogen pistol.
      Merk: Utvikling tid kan endres avhengig av ytre forhold som temperatur og fuktighet.
    2. Ta bilder av optisk mikroskopi for hver utskrevne mønsteret med forskjellig forstørrelse 5 X, 20 X og 100 X.
  6. Utformingen av småskala enheten mønster.
    1. Følg samme fremgangsmåte i (3.3). (3.3.1), laste mønster av underlaget gitter inkludert designet små merkene i (3.3.3) og sette inn bilder tatt etter første utvikling.
      Merk: Størrelsen på og plasseringen av hvert bilde avhenger på de små merkene i (3.3.3), i stedet for merkene på underlaget.
    2. Utforme fine strukturen i enheten mønster med kilde, avløp og andre elektrodene i små firkanter i en Hall bar konfigurasjon, som er koblet til det utskrevne store mønsteret. Etter utformer liten mønstre for alle enheter, kan du registrere koordinatene av små firkanter.
    3. Slette innsatte bilder, små firkanter og underlaget mønster, forlater bare designet liten mønstre. Eksportere liten mønsteret som dxf-fil.
  7. Andre elektron strålen litografi.
    1. Følg samme fremgangsmåte fra (3.4.1) til (3.4.11) med samme parametere for litografi av små mønster designet i (3,6); Angi 300 for Feltstørrelse og velg 100 pA for amplituden av elektron strålen.
      Merk: Litografi prosessen tar flere minutter for hver liten mønster.
    2. Etter litografi av små mønster, flytte scenen til den opprinnelige plasseringen, slå av elektronstråle, Avslutt eksponering prosessen og lukke ECA programmet. Åpne hovedkammeret og ta ut underlaget.
  8. Andre utvikler.
    1. Følg samme fremgangsmåte i (3,5) med utvikle samtidig som 30 s.
    2. Ta bilder av optisk mikroskopi for hvert mønster med forskjellig forstørrelse 5 X, 20 X og 100 X.

4. deponering av elektroder

  1. Deponering av gull elektroder.
    1. Fastsette underlaget på underlaget holderen, sette substrat holderen på overføring stang og sette den inn i de viktigste kammer på fordamperen. Starte roterende innehaveren av underlaget.
    2. Første innskudd Cr 5 nm i tykkelse som vedheft lag. Når trykket inne hovedkammeret blir mindre enn 10-4 Pa, slå på høy spenningskilde.
    3. Øke nåværende electron pistol med fast akselererende spenningen av 4 kV, til innskudd hastigheten måles tykkelse skjermen blir stabil om 0,5 Å/s (vanligvis pre fordampe Cr ca 5 nm).
    4. Åpne skodde og innskudd Cr til den når 5 nm i tykkelse. Lukke skodde, sakte redusere gjeldende electron pistol til null, og slå av hvor høy spenning.
    5. Senere innskudd Au av riktig tykkelse. Slå på den gjeldende kilden og sakte øke gjeldende opptil 30 A. fordampe Au ved å holde nåværende 30 A, til innskudd hastigheten måles tykkelse skjermen blir stabil ca 1 Å/s (vanligvis pre fordampe Au ca 10 nm).
    6. Åpne skodde og begynne å sette Au. Etter å ha nådd den tiltenkte tykkelsen, lukke skodde, sakte redusere gjeldende til null og slå av gjeldende kilden.
      Merk: Vi bruker 60 nm for tynne flake og 90 nm for NT. Riktig tykkelse er avhengig av prøven.
    7. Siden underlaget varmes under deponering prosessen, forbli underlaget inne i kammeret 1t for å kjøle ned sin temperatur til nær romtemperatur. Stanse rotering substrat holderen, og ta den ut av overføring stangen.
  2. Deponering av SiO2 beskyttelse laget.
    1. Ved hjelp av optisk mikroskopi, dekk pads og gate elektrodene av tape.
      Merk: I prinsippet bare fine strukturer av elektrodene er utsatt for innskudd SiO2 lag for beskyttelse av elektroder mot den kjemiske reaksjonen under elektrolytt gating.
    2. Følg samme fremgangsmåte fra (4.1.1) til (4.1.4) for å sette inn Cr 5 nm i tykkelse som vedheft lag.
    3. Deretter følger den samme prosessen fra (4.1.1) til (4.1.4) for å sette inn SiO2 20 nm i tykkelse.
      Merk: Innskudds SiO2 er ca 1 Å/s, mens pre fordamper SiO2 av ca 10 nm.
    4. Avkjøl underlaget inne i kammeret for 1 h. stopper roterende substrat holderen og ta den ut av overføring stangen. Fjerne tapen under mikroskopi.

5. fullføring av enheten

  1. Substrat scribing.
    1. Slå på scribing maskinen og vakuum pumpe pumper hastighet på 50 L/min og endelig presset av 30 kPa. Fastsette underlaget på scenen av vakuum chuck og justere vinkelen og plasseringen av underlaget.
    2. Skriftlærde underlaget i små biter (vanligvis ca 3 x 3 mm).
      Merk: Størrelsen på hver brikke er avhengig av plasseringen av hver valgte prøve og designet mønster.
  2. Enheten lift-off.
    1. Velg en enhet og dyppe den i aceton (konsentrasjon over 99.5%) 1t ved romtemperatur å fjerne overflødige PMMA og gull. Bare fremstille elektrodene er igjen på underlaget.
    2. Etter lift-off prosessen, vask underlaget av IPA og tørke det ved nitrogen pistol.
  3. Wire-binding.
    1. Slå på wire bånd maskinen. Fastsette underlaget på chip-operatør via sliver pasta.
      NOTE For WS2 NT tilfellet, vi bruk vannrett rotator vist i figur 2n.
    2. Med hjelp av wire bånd maskinen, koble hver elektrode pad og elektroden av chip bærer ettall med en gull wire.
  4. Elektrolytt slippverktøy setter.
    1. Sette en dråpe elektrolytt (mindre enn 0,5 µL) på enheten ved en tweezer etter i elektrolytt væsken.
      Merk: Mengden av elektrolytt er lite; den dekker den fine strukturen av enheten og gate pad unngår men dekker elektrode pads. Vi bruker elektrolytt KClO4 (mer enn 99% konsentrasjon) oppløst i polyetylenglykol (PEG; Mw = 600) med en [K]: [O] forholdet 1:20 etter den forrige publikasjonen38.

6. transport målinger

  1. Reparer chip-transportøren eksempel holderen for, og sette det inne i kammeret av fysiske egenskaper målesystem ved overføring stangen. Pumpe kammer av høy vakuum modus.
  2. Koble målesystem inkludert låsbare forsterkere, nano-voltmeter, kilde meter og forsterker. Bruke en konstant vekselstrøm (AC) med frekvensen til 13 Hz utføre AC-lock-in målinger.
  3. Kjør programmet Keysight VEE (måling programmer).
  4. I måling av gate svar, når gate spenning på elektrolytten (dvs., source og gate elektroder), feie gate spenning med 50 mV/s-hastighet på 300 K, under høy-vakuum betingelse for å redusere innflytelsen til luften på den gating ytelse.
  5. I måling av temperatur avhengighet av motstand, først kjøle ned til 200 K med kjøling hastighet på 1 K/min i høy-vakuum tilstand, og Bytt til betingelsen han-renset og holde kjøler ned 10 K med kjøling frekvensen av 1 K/min. Når temperaturen er lavere enn 10 K, kjøle ned og varmes opp med hastighet på 0,2 K/min.
    Merk: I han-renset tilstanden, termisk konduktans og resulterende temperatur stabilitet er bedre enn de i høy-vakuum tilstand.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Den typiske transistor driften av en individuell WS2 NT og en WS2 flake enheter vises i figur 3a og 3b, henholdsvis hvor kilden renne gjeldende (jegDS) som en funksjon av gate spenning (V G) pent opererer i en ambipolar modus, viser en bemerkelsesverdig kontrast til Unipolare gate svaret av den konvensjonelle solid gated FET i forrige publikasjonen58. Vurderer ambipolar atferden er reversibel og repeterbare, er operasjonene transistoren sannsyligvis elektrostatisk doping. I elektrostatisk doping akkumuleres ioner på overflaten av prøvene, som fører til stor elektrisk potensielle drop og resulterende transportør doping i grensesnittet (figur 1b).

Elektrokjemiske doping av innskudd (figur 1 c), derimot, er realisert i stor gate spenning regionen, forårsaker mye høyere elektron konsentrasjon i hoveddelen av prøven, i stedet for på overflaten av utvalget av elektrostatisk. En typisk innskudd prosessen er vist i Figur 3 c. Når gate spenning først økes opptil 8 V med en konstant hastighet på 50 mV/s, viser jegDS metning virkemåte som angir elektrostatisk doping, tilsvarende 2D WS2 saken som vist i figur 3b. Når gate spenning holdes på 8 V for et par minutter, en annen drastisk økning av jegDS med mer enn to størrelsesordener er observert som vist i Figur 3 c. Kilde avløpet gjeldende økningen antagelig tilskrives innskudd K+ ioner avverge til WS2 lag uten å skade krystallstruktur. Denne prosessen forårsaker mye høyere carrier konsentrasjon i bulk sammenlignet med elektrostatisk doping på overflaten.

Som vist i figur 3d, er lik innskudd prosessen også realisert i WS2 flake. Når gate spenning først økes opptil 6 V, viser jegDS lignende metning virkemåter. På den annen side, endres bærer tetthet anslått av Hall effekten betydelig ikke, viser lignende metning virkemåten. Når gate spenning blir høyere enn 6 V, jegDS øker igjen på grunn av forekomsten av innskudd som er lydtette av klart økningen av transportøren tetthet.

Temperatur avhengigheter for motstanden WS2 NTs og flak etter elektrokjemiske doping er vist i figur 3e og 3f, henholdsvis. I begge tilfeller motstanden viser metallisk virkemåten og superleder vises i lav temperatur regionen.

Figure 1
Figur 1 : Illustrasjon av elektrolytt gating. (a) skjematisk figuren av konvensjonelle feltet effekt transistor av solid port. (b) skjematisk figuren av elektrostatisk doping av elektrolytt gating. Ved å ta å plassere den solide dielektrisk CyberWatchers i elektrolytt, er elektrostatiske doping effekten mer effektiv siden dielektrisk konstant væske er mye større enn solid. En rekke transportører akkumuleres på overflaten av prøven. (c) skjematisk figuren av elektrokjemiske doping av elektrolytt-gating-indusert innskudd. De positive ionene er under Sommer i utvalget, inducing mye mer operatører i bulk. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2 : Apparat fabrikasjon av WS2 nanotube og flake. (a) og (b) WS2 NT, som var første pulver konfigurasjon, overføres til IPA væske. (c) fotografi av en individuell WS2 NT valgt av optisk mikroskopi etter spredning av WS2 NT på underlaget og dekket av PMMA. (d) skjematisk figuren av designet mønsteret WS2 NT fra AutoCAD. (e) bilde av enheten mønster av en individuell WS2 NT etter elektron strålen litografi prosessen og utviklende prosessen. (f) fotografi på en individuell WS2 NT etter deponering av elektroder enheten. (g) og (h) fotografiet av WS2 bulk eksempler på et bånd, og bildet av ekspandert WS2 prøver etter folding og utfolder tape flere ganger. (i) fotografi av en WS2 flake valgt av optisk mikroskopi etter at det på underlaget og dekket av PMMA. (j) skjematisk figuren av designet mønster for en WS2 fnugg av AutoCAD. (k) bilde av enheten mønster av en WS2 flake etter elektron strålen litografi prosessen og utviklende prosessen. (l) bildet på en WS2 enheten flake etter Cospatric av elektroder. (m) fotografi av en isolert enhet etter scribing prosessen og lift-off prosessen. Typisk enheten mønster av enheten elektrolytt gating vises. I tillegg til elektroder for transport mål, ble en side gate plassert nær prøven. (n) bilde av enheten på det vannrette omdreiende etter wire-bånd forarbeide. (o) bilde av enheten etter wire-bånd forarbeide. (p) fotografi av enhet for elektrolytt gating med et slippverktøy ioniske væske på toppen dekker både prøve og side gate elektrodene. (q) fotografi av typiske målesystemer (PC og fysiske egenskaper målesystemet). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3 : Transistor operasjonen, elektrokjemiske innskudd og elektrisk-feltet-indusert superleder i WS2 nanotube og flake enhet. (a) ambipolar overføring kurven på WS2 NT til 300 K. kilde-avløpet spenningen VDS er 0,2 mV og feiende hastighet av gate spenning VG er 50 mV/s. (b) ambipolar overføring kurven på WS2 flake på 300 K. V DS 0,1 V og feiende hastighet av gate spenning er 20 mV/s. (c) kilde strømforbruk gjeldende jegDS som en funksjon av VG og ventetid under den elektrokjemiske innskudd i WS2 NT. Metning oppførsel av jegDS har blitt observert når økende VGog andre dramatisk økning av jegDS er observert fast VG under vente par minutter. (d) jegDS på 300 K (venstre) og transportør tetthet anslått av Hall effekten på 200 K (høyre) som en funksjon av VG i WS2 skalle. Metning og andre økning ierDS også observert i skalle. Transportør tetthet viser stor økning i stor VG region, angir innskudd prosessen. (e) temperatur avhengighet av motstand av WS2 NT etter innskudd. Superledende overgangen er observert på 5,8 K. (f) temperatur avhengighet av motstand av WS2 flake etter innskudd. Superledende overgangen er observert på 8 K. Alle tall er gjengitt og endret fra Qin, F. et al. og Shi, W. et al. 38 , 50 Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Både WS2 NTs og flak, har vi vellykket kontrollert elektrisk egenskapene av elektrostatisk eller electro kjemiske bærer doping.

I elektrostatisk doping regionen, har ambipolar transistor operasjonen blitt observert. Slike ambipolar overføring kurve med et høyt/på forholdet (> 102) observert i lav bias spenning angir effektiv transportøren doping på grensesnittet av elektrolytt gating teknikk for tuning Fermi-nivå av disse systemene.

Selv om denne metoden er som en fordel for tuning mye bærer nummer i liten gate bias sammenlignet med konvensjonelle solid gating metoden, finnes det flere begrensninger av denne teknikken. Først fordi kontrollen bærer er realisert via flytende gate, er det ikke tilgang til transportør nummeret under frosne temperaturen elektrolytt/ioniske flytende12,28,29,30. Konvensjonelle solid gate, derimot, er gyldig for selv lav temperatur, men det ikke er så effektiv som elektrolytt/ioniske flytende gate temperatur (nær romtemperatur). Andre, mange materialer er kjent for å vise den kjemiske reaksjonen med elektrolytt/ioniske flytende i bestemte betingelser,59,,60,,61,,62,,63. Slike kjemisk reaksjon enkelt bryter enhetene og begrenser det vellykkede forholdet mellom eksperimenter eller programmet materialet.

Men har folk nylig anerkjent at den kjemiske reaksjonen kan hjelpe for fremtidig program, som kjemisk etsing for tynt filmer59,60 og elektrokjemiske innskudd for tungt elektron doping9 ,11,34,38,50,51,52,53 og fase transformasjon61,62 ,63. En lignende teknikk er også tilrettelagt for solid ion dirigent51,52,53 og selv fotoaktive EDLT har vært utviklet64.

I elektrokjemiske doping regionen, har vi observert den elektrisk-feltet-indusert superleder. Forskjellen på superledende overgang temperaturen WS2 NTs og flak, som er muligens på grunn av de lavere dimensjonalitet NTs, ytterligere kompetansesentre i fremtiden.

Som tydelig demonstrert i resultatene av denne studien gir bærer nummer kontrollen av den joniske flytende gating en kraftig metode for å søke quantum fase overgangen i nanomaterialer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Vi anerkjenner følgende økonomisk støtte; Grant-in-Aid for spesielt forfremmet forskning (nr. 25000003) fra JSP, Grant-in-Aid for forskning aktivitet oppstart (No.15H06133) og utfordrende forskning (utforskende) (nr. JP17K18748) fra MEXT i 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 problemet 134 elektrolytt gating elektrisk dobbeltlag transistor innskudd superleder metall dichalcogenides TMDs tungsten disulphide WS2 nanotube
Elektrisk-kontroll av elektroniske stater i WS<sub>2</sub> Nanodevices av elektrolytt 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