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Engineering

Campo elétrico controle de Estados eletrônicos em WS2 nanodispositivos por retenção de eletrólitos

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

Aqui, apresentamos um protocolo para controlar o número de porta-aviões em sólidos usando o eletrólito.

Abstract

Um método de controle de número de porta-aviões por retenção de eletrólitos é demonstrado. Nós obtivemos WS2 flocos finos com superfície plana atomicamente através do método da fita adesiva ou individuais WS2 nanotubos por dispersar a suspensão do WS2 nanotubos. As amostras selecionadas tem sido fabricadas em dispositivos pelo uso da litografia de feixe de elétrons e o eletrólito é colocado nos dispositivos. Nós têm caracterizado as propriedades eletrônicas dos dispositivos sob aplicando a tensão do portão. Na região de tensão pequeno portão, íons no eletrólito são acumulados na superfície das amostras que leva à grande elétrico potencial gota e resultante eletrostática transportadora de doping na interface. Observou-se a curva de transferência ambipolar nesta região de dopagem eletrostática. Quando a tensão da porta é ainda maior, nos conhecemos mais um aumento drástico da corrente de fonte-dreno que implica que os íons são intercaladas em camadas de WS2 e eletroquímica portador de doping é realizado. Em tal região de dopagem eletroquímica, observou-se supercondutividade. A técnica focalizada fornece uma poderosa estratégia para alcançar a fase de transição quântica elétrico arquivado-induzida.

Introduction

Controle o número de porta-aviões é a técnica de chave para realizar a transição de fase quântica em sólidos1. O transistor de efeito de campo convencionais (FET), isso é conseguido pela utilização do portal sólido1,2. Em tal dispositivo, gradiente de potencial elétrico é uniforme em toda os materiais dielétricos por esse número de transportadora induzida na interface é limitado, mostrado na Figura 1a.

Por outro lado, conseguimos a maior densidade de porta-aviões para a interface ou a granel, substituindo os materiais dielétricos sólidos com géis/líquidos iônicos ou polímero eletrólitos3,4,5,6, 7,8,9,10,11 (Figura 1b). No doping pelo uso do líquido iônico electrostático, estrutura de camada dupla elétrica transistor (Edit) é formada na interface entre o líquido iônico e amostra, gerando forte campo elétrico (> 0.5 V/Å) mesmo em baixa tensão de polarização. Densidade resultante transportadora alta (> 1014 cm-2) induzida na causa13 interface10,12,o romance eletrônico Propriedades ou quântica transição de fase tais como campo elétrico induzido ferromagnetismo14, bloqueio de Coulomb15, transporte ambipolar16,17,18,19,20, 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, formação de junção p-n e electroluminance resultante28,29,30, grande modulação dos poderes termelétrica31,32, onda de densidade de carga e Mott transições33,34,35, e36,37 , incluindo a supercondutividade elétrica campo-induzida9 a transição metal-isolante elétrico campo-induzida ,10,11,38,39,40,41,42,43,44 ,,45,46,47,,48,49.

O gating eletrólito (Figura 1C), íons não são acumulados somente na interface para formar Edit, mas podem também ser intercaladas em camadas de materiais bidimensionais via difusão térmica sem amostra prejudicial sob aplicando a tensão do grande portão, levando para a eletroquímica antidoping8,9,11,34,38,50,51,52,53 . Assim, nós podemos mudar drasticamente o número de porta-aviões em comparação com o transistor de efeito de campo convencionais usando a porta sólida. Em particular, o campo elétrico induzido supercondutividade9,11,34,38,50 é realizado pelo uso de eletrólito gating na região da grande transportadora número onde não temos acesso pelo método convencional sólido associado.

Neste artigo, apresentamos esta técnica única de controle número do portador em sólidos e visão geral sobre o funcionamento do transistor e supercondutividade elétrica campo-induzida em semicondutores WS2 amostras como WS2 flocos e WS2 nanotubos54,55,56,57.

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Protocol

1. dispersão de WS 2 nanotubos (NTs) no substrato

  1. Disperse o pó de2 NT WS em álcool isopropílico (IPA, mais de 99,8% de concentração), com adequada relação diluída (cerca de 0,1 mg/mL) por sonication por 20 min.
    Nota: A longa data sonication ajuda a tornar o WS2 NTs uniformemente suspensas no líquido do IPA e separado bem-formado individuais WS2 NTs de amorfo WS2 ou outras sucatas, bem como para remover o lixo acumulando na WS2 NTs superfície. Figura 2b mostra a suspensão final da WS2 NTs. Desde que a suspensão pode ser aquecida durante o processo de sonication, é melhor parar sonication a cada 5 min e continuar sonication após 1 min.
  2. Procedimento de revestimento de rotação para dispersar WS2 NTs no substrato.
    1. Inicie a máquina girar-revestidor e bomba de vácuo. Coloque um Si/SiO2 (3000 Å) substrato (1 x 1 cm) no centro do chuck e correção-por vácuo com bombeamento de velocidade de 80 L/min e pressão final de 20 kPa.
      Nota: Há um orifício localizado no centro do mandril conectar a bomba de vácuo, assim, o substrato é fixado por pressão do vácuo (velocidade de bombeamento é 80 L/min e pressão final é 20 kPa). O pressão do vácuo pode ser diferente dependendo da bomba.
    2. Definir parâmetros relevantes do procedimento pelo painel de controle da máquina girar-aplicador.
      Nota: Existem três etapas durante o procedimento de revestimento de rotação: velocidade (1) lentamente até 500 rpm dentro os primeiros 3 s, (2) rapidamente velocidade até 4000 rpm e continuar para 50 s, (3) abrandar e parar de girar para os últimos 3 s. Esses parâmetros podem ser diferentes dependendo do uso do giro-aplicador.
    3. Colocar uma gota (cerca de 0,01 mL) da suspensão de WS2 NT feito em (1.1) por uma pipeta sobre o substrato, até que o substrato é totalmente coberto pela suspensão (se não, coloque mais gotas). Em seguida iniciar rotação-revestimento com parâmetros relevantes em (1.2.2).

2. preparação do floco fino no substrato através do método da fita adesiva

  1. Colocar uma amostra de volume pequeno de WS2 (crescido através do método de transporte de vapor químico) na fita adesiva. Dobre a fita adesiva e desdobrá-lo lentamente para mecanicamente esfoliar a camada fina a granel. Repita este procedimento por várias vezes, até as amostras esfoliadas são finas o suficiente.
    Nota: Figura 2 g e h 2 mostram a fita inicial com amostra do WS2 em massa e a fita final após vários procedimentos de dobramento, respectivamente.
  2. Cole a fita adesiva no topo do substrato de cabeça para baixo, pressione levemente a fita e remova cuidadosamente a fita da parte superior do substrato.
    Nota: Depois de remover a fita, existem muitos flocos finos deixada sobre o substrato.

3. fabricação de dispositivo por litografia de feixe de elétrons.

  1. Processo de centrifugação-revestimento para cobrir a resistir para litografia de feixe de elétrons.
    1. Siga o mesmo procedimento de revestimento de rotação descrito em (1.2.1) e (1.2.2).
    2. Colocar uma gota (cerca de 0,04 mL) do methacrylate de polymethyl (PMMA) por uma pipeta para o substrato até o substrato é totalmente coberto de PMMA. Então inicie o processo de rotação-revestimento para cobrir uniformemente o PMMA na amostra de2 WS para impedi-lo de ser exposto no ar.
      Nota: PMMA é um do resiste para litografia de feixe de elétrons.
    3. Após o spin-revestimento, colocar o substrato na placa quente a 180 ° C e aqueça-a durante 1 min.
      Nota: Esses parâmetros podem ser diferentes dependendo do tipos de resistir.
  2. Selecção das amostras por microscopia óptica.
    1. Começa a microscopia ótica e câmera. Coloque o substrato no palco.
    2. Mover o palco e digitalizar toda a região do substrato com adequada ampliação (20 X) e entretanto, seleccionar amostras isoladas com tamanho adequado.
      Nota: No total, 6 a 10 amostras isoladas podem ser geralmente selecionadas para cada substrato de 1 cm x 1 cm.
    3. Tire fotos de cada amostra seleccionada com diferente ampliação de 5x e 20 X 100 X. Essas fotos são usadas para identificar a localização de cada amostra.
  3. Projeto do padrão de dispositivo em grande escala.
    1. Ativar o software AutoCAD e carregar o formato da estrutura do substrato. Inserir fotos tiradas em (3.2) e identificar o tamanho e a localização de cada foto consoante as marcas sobre o substrato.
    2. Inserir uma grande praça com comprimento de 1200 µm e uma pequena praça com comprimento de 300 µm que deve cercar cada amostra.
    3. Padrões de projeto em grande escala incluindo portão, fonte, dreno e outros blocos na praça grande exceto belas estruturas perto da amostra. Projeto pequenas marcas perto da amostra para identificar precisamente a localização das amostras no processo posterior de design para o padrão de dispositivo em pequena escala.
    4. REPEAT (3.3.2) para (3.3.3) para cada amostra.
    5. Grave as coordenadas do centro de cada quadrado grande e pequeno, respectivamente.
    6. Exclua fotos inseridas, grandes e pequenas praças e formato de treliça de substrato, deixando apenas a padrões projetados de grandes e pequenas marcas. Exporte os padrões de grandes e pequenas marcas como arquivos dxf, respectivamente.
  4. Primeira litografia de feixe de elétrons.
    1. Coloque o substrato no palco e corrigi-lo e inserir o palco para a câmara principal da máquina de litografia de feixe de elétrons.
    2. Ative o programa TCE (um programa para gerar um arquivo usado no processo de feixe de elétrons). Definir o tamanho do campo como 300 para a litografia de pequenas marcas. Use a ferramenta de conversor de dxf para transferir o arquivo dxf arquivo de célula.
    3. Carregar o arquivo de célula gerado em (3.4.2), digite o nome do arquivo, identificar a origem e identificar pontos com coordenadas de pequenos quadrados observadas em (3.3.5). Finalmente, identificar as coordenadas de um grande e marcas B e a pequena e a B marcas para cada ponto.
      Nota: A grande e B marcas são usadas para corrigir a direção do palco, enquanto A pequena e B marcas são usadas para identificar a incompatibilidade entre o projetado e padrão impresso, durante o processo de projeto de pequena escala padrão.
    4. Salve o arquivo como arquivo de con e esperar até que a pressão no interior da câmara principal é inferior a 5 x 10-5 PA.
      Nota: Porque o feixe de elétrons é de alta energia (50 kV de tensão de aceleração), a alta qualidade do vácuo é necessário.
    5. Quando a pressão da câmara principal torna-se baixo o suficiente para o processo de litografia de feixe de elétrons, ativar o programa de controle de feixe de elétron ESL-7500 e subsequentemente ligar o canhão de elétrons.
    6. Ligue o microscópio eletrônico de varredura (SEM) e mova o palco para a posição onde o substrato é na tela. Ajuste o brilho, contraste e foco.
    7. Ajustar o ângulo da fase por julgar da posição relativa da grande e B marcas originalmente projetadas sobre o substrato, até que o erro de direção é negligenciável na ampliação de 5000 X. Depois de corrigir a direção do palco, a posição do grande de registrar uma marca.
    8. Definir a amplitude do feixe de elétrons para litografia; pA 100 é para litografia de pequenas marcas. Mover o palco para a posição de ajuste de amplitude e selecione o modo de ponto para a câmera, alterar a amplitude do feixe de elétrons, até que ele atinja 100 pA pelo amperímetro. Depois de definir a amplitude do feixe de elétron, ajuste o brilho, contraste e foco.
    9. Arquivo de con carga salvou em (3.4.4) no programa TCE. Definir parâmetros relevantes: 2 s para tempo de dose e 300 para o tamanho do campo. Finalmente, inicie o processo de exposição.
      Nota: O tempo de Dose pode ser diferente dependendo da resist.
    10. Volta para o programa de controle do feixe elétrons ESL-7500, coloque 5000 X de ampliação e mova o palco para a posição registrada do grande uma marca. Confirmar a posição da e B grandes marcas.
    11. Conjunto de 30000 X de ampliação e confirmar a posição do pequena-A e B as marcas para a litografia de marcas pequenas primeiras projetado em (3.3.3).
      Nota: A litografia começa depois conformando pequenas marcas e leva segundo vários.
    12. Depois de terminar a litografia, repita este procedimento para todas as amostras. Por último, pare o processo de exposição e fechar o programa TCE.
    13. Siga o mesmo processo de (3.4.2) para (3.4.10) com parâmetros diferentes para a litografia do grande padrão projetado em (3.3.3). Na (3.4.2), defina o tamanho do campo como 1200. Em (3.4.3), apenas identificar as coordenadas de A grande e B marca excepto A pequena e B marcas. Em (3.4.8), defina a amplitude do feixe de elétrons como 1000 pA para a litografia do grande padrão. Em (3.4.9), selecione 1200 de tamanho de campo.
      Nota: Após o processo de (3.4.10), a litografia do grande padrão inicia e leva várias horas.
    14. Depois de terminar a litografia do padrão grande, mover o palco para a posição original, desligar o feixe de elétrons e parar o processo de exposição e o programa TCE. Abrir a câmara principal e tirar o substrato.
  5. Primeiro desenvolvimento.
    1. Fazer uma solução de metil isobutil cetona (MIBK) e IPA com a relação de MIBK: IPA = 1:3. Mergulhe o substrato na solução por 30 s e lavá-lo pelo líquido IPA e secá-lo pela arma de nitrogênio.
      Nota: Desenvolver o tempo pode mudar dependendo das condições ambientais como temperatura e umidade.
    2. Tire fotos por microscopia óptica para cada padrão impresso com diferente ampliação de 5x e 20 X 100 X.
  6. Projeto do teste padrão do dispositivo de pequena escala.
    1. Siga o mesmo processo (3.3). Em (3.3.1), carregar o padrão da estrutura de substrato, incluindo as marcas pequenas projetadas em (3.3.3) e inserir fotos tiradas após o primeiro desenvolvimento.
      Nota: O tamanho e a localização de cada foto depende as pequenas marcas projetadas em (3.3.3), em vez de marcas sobre o substrato.
    2. Projete a estrutura fina do padrão de dispositivo com fonte, dreno e outros eletrodos em pequenos quadrados em uma configuração de barra de Hall, que está ligado ao grande padrão impresso. Depois de projetar testes padrões pequenos, para todos os dispositivos, grave as coordenadas dos pequenos quadrados.
    3. Exclua fotos inseridas, pequenas praças e padrão de substrato, deixando apenas os padrões pequenos projetados. Exporte o pequeno padrão como arquivo dxf.
  7. Segunda litografia de feixe de elétrons.
    1. Siga o mesmo processo de (3.4.1) para (3.4.11) com os mesmos parâmetros para a litografia do pequeno padrão projetado em (3.6); conjunto de 300 para o tamanho do campo e selecione 100 pA para a amplitude do feixe de elétrons.
      Nota: O processo de litografia leva vários minutos para cada padrão pequeno.
    2. Após a litografia de padrão pequeno, mover o palco para a posição original, desligar o feixe de elétrons, parar o processo de exposição e fechar o programa TCE. Abrir a câmara principal e tirar o substrato.
  8. Em segundo lugar, desenvolver.
    1. Siga o mesmo processo em (3.5), com desenvolvimento simultâneo com 30 s.
    2. Tire fotos por microscopia óptica para cada padrão com diferente ampliação de 5x e 20 X 100 X.

4. deposição de eletrodos

  1. Deposição de eletrodos de ouro.
    1. Corrigir o substrato no suporte de substrato, ponha o titular de substrato na haste de transferência e inseri-lo na câmara principal do evaporador. Começa a rodar o titular do substrato.
    2. Depósito de Cr de 5 nm de espessura como a camada de aderência. Quando a pressão no interior da câmara principal torna-se menos de 10-4 Pa, ligue a fonte de alta tensão.
    3. Aumentar a corrente de injetor de elétron cuidadosamente com a tensão de aceleração fixa de 4 kV, até que a taxa de depósito medida pelo monitor de espessura torna-se estável em cerca de 0,5 Å/s (geralmente pre-evaporar Cr de cerca de 5 nm).
    4. Abrir o obturador e depositar Cr até atingir 5 nm de espessura. Fechar o obturador, lentamente diminuir a corrente de canhão de elétrons para zero e desligue a fonte de alta tensão.
    5. Posteriormente deposite Au de espessura apropriada. Ligue a fonte de corrente e aumentar lentamente a corrente até 30 a. evaporação Au, mantendo a corrente de 30 A, até que a taxa de depósito medida pelo monitor de espessura torna-se estável Å cerca de 1/s (geralmente pre-evaporar Au de cerca de 10 nm).
    6. Abra o obturador e comece a depositar Au. Depois de atingir a espessura pretendida, fechar o obturador, lentamente diminuir a corrente a zero e desligue a fonte atual.
      Nota: Nós usamos 60 nm para floco fino e 90 nm para o NT. A espessura adequada depende da amostra.
    7. Desde que o substrato é aquecido durante o processo de deposição, permanecem o substrato dentro da câmara por 1h para arrefecer a temperatura para perto da temperatura ambiente. Pare de girar o titular do substrato e tirá-lo por haste de transferência.
  2. Deposição de SiO2 camada de proteção.
    1. Com a ajuda de microscopia óptica, cobre as almofadas e os eletrodos de portão de fita.
      Nota: Em princípio, apenas as belas estruturas de eletrodos são expostas a camada de depósito SiO2 para a proteção de eletrodos contra a reação química durante a retenção de eletrólitos.
    2. Siga o mesmo processo de (4.1.1) para (4.1.4) para depositar Cr de 5 nm de espessura como camada de aderência.
    3. Posteriormente, siga o mesmo processo do (4.1.1) para (4.1.4) para depositar SiO2 de 20 nm de espessura.
      Nota: A taxa de depósito de SiO2 é cerca de 1 Å/s, enquanto pré-evaporação SiO2 de cerca de 10 nm.
    4. Arrefecer o substrato dentro da câmara para h. 1 paragem rotação titular do substrato e tirá-lo pela barra de transferência. Remova a fita sob microscopia.

5. conclusão do dispositivo

  1. Substrato RISC.
    1. Ligue a máquina RISC e bomba de vácuo com a velocidade de bombeamento de 50 L/min e pressão final de 30 kPa. Corrigir o substrato no palco por vácuo chuck e ajustar o ângulo e posição do substrato.
    2. Escriba a carcaça em pedaços pequenos (geralmente aproximadamente 3 x 3 mm).
      Nota: O tamanho de cada peça é dependendo da localização de cada amostra seleccionada e o padrão projetado.
  2. Decolagem do dispositivo.
    1. Selecione um dispositivo e mergulhá-lo em acetona (mais de 99,5% de concentração) por 1h à temperatura ambiente para remover o PMMA redundantes e ouro. Somente os eletrodos fabricados são deixados no substrato.
    2. Após o processo de decolagem, lave o substrato pelo IPA e secá-lo pela arma de nitrogênio.
  3. Fio de ligação.
    1. Liga a ligação do fio-máquina. Corrigi o substrato sobre a microplaqueta-transportadora através da tira colar.
      Nota: Para o caso de2 NT WS, usamos rotador horizontal mostrada na Figura 2n.
    2. Com a ajuda da ligação do fio-máquina, conecte cada pad eletrodo e o eletrodo da transportadora microplaqueta um por um com um fio de ouro.
  4. Eletrólito da gota de colocar.
    1. Colocar uma gota do eletrólito (menos de 0.5 µ l) no topo do dispositivo por uma pinça depois da imersão no líquido eletrólito.
      Nota: A quantidade de eletrólito é muito pequeno; cobre a estrutura fina do dispositivo e almofada portão mas evita cobrindo as almofadas do elétrodo. Nós usamos o eletrólito de KClO4 (mais de 99% de concentração) dissolvido em polietileno glicol (PEG; W M= 600) com [K]: índice [O] de 01:20 de acordo com a publicação anterior38.

6. transporte de medições

  1. Corrigir a microplaqueta-transportadora no porta-amostras e colocá-lo dentro da câmara de sistema de medição de propriedades físicas, a haste de transferência. Bomba na câmara pelo modo de alto vácuo.
  2. Conecte o sistema de medição, incluindo bloquear em amplificadores, nano-voltímetro, medidor de fonte e amplificador. Aplica uma constante corrente alternada (AC) com a frequência de 13 Hz para realizar as medições AC-lock-in.
  3. Execute o programa Keysight VEE (programas de medição).
  4. Na medida da resposta do portão, quando a tensão da porta é aplicada para o eletrólito (i. e., entre a fonte e portão eletrodos), varrer a tensão de porta com velocidade de 50 mV/s a 300 K, sob a condição de alto vácuo para reduzir a influência do ar na retenção de desempenho.
  5. Na medição da dependência da temperatura da resistência, primeiro arrefecer até 200K, com a taxa de resfriamento de 1 K/min em condições de alto vácuo, altere para a condição de-purgada e manter resfriamento até 10k com a taxa de resfriamento de 1 K/min. Quando a temperatura for inferior a 10 K, arrefecer e aquecer com a taxa de 0,2 K/min.
    Nota: A condição de-expurgados, condutância térmica e temperatura resultante estabilidade é melhor do que aqueles em condição de alto vácuo.

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Representative Results

As operações de transistor típico de um indivíduo WS2 NT e um dispositivos de floco WS2 são mostradas na Figura 3a e 3b, respectivamente, onde a fonte drenar corrente (euDS) como uma função da tensão da porta (V G) gentilmente opera em um modo ambipolar, mostrando um notável contraste com a resposta de portão unipolar pelo FET gated sólido convencional em anterior publicação58. Considerando que o comportamento ambipolar é reversível e repetível, essas operações de transistor são provavelmente devido a dopagem eletrostática. No doping eletrostática, íons são acumulados na superfície das amostras, que leva à grande elétrico potencial gota e resultante transportadora de doping na interface (Figura 1b).

Eletroquímico de doping pela intercalação (Figura 1C), por outro lado, é realizado na região de tensão do grande portão, causando muito maior concentração de elétrons na maior parte da amostra, em vez de na superfície da amostra por eletrostática de doping. Um processo de intercalação típico é mostrado na Figura 3C. Quando a tensão da porta em primeiro lugar é aumentada até 8 V com uma taxa constante de 50 mV/s, euDS exibe um comportamento de saturação indicando o eletrostático doping, da mesma forma para o caso de2 WS 2D como mostrado na Figura 3b. Quando a tensão da porta é mantida no 8 V por um par de minutos, mais um aumento drástico do DS por mais de duas ordens de magnitude tem sido observada como mostrado na Figura 3C. Este aumento de corrente de dreno fonte presumivelmente é atribuído a intercalação de íons K+ desarmar em camadas de2 WS sem danificar a estrutura do cristal. Este processo provoca a concentração muito maior transportadora a granel, em comparação com o doping eletrostática na superfície.

Como mostrado na Figura 3d, o processo de intercalação semelhante também é realizado em WS2 floco. Quando a tensão da porta em primeiro lugar é aumentada até 6 V, euDS exibe um comportamento semelhante de saturação. Por outro lado, densidade de transportadora estimada pelo efeito Hall não alteram significativamente, exibindo o comportamento semelhante de saturação. Quando a tensão da porta torna-se superior a 6 V, euDS aumenta novamente devido a ocorrência de intercalação que é impermeabilizada pelo claro aumento da densidade do portador.

Dependências de temperatura da resistência do WS2 NTs e flocos após dopagem eletroquímica são mostradas na Figura 3e e 3f, respectivamente. Em ambos os casos, a resistência mostra o comportamento metálico e supercondutividade aparece na região de baixa temperatura.

Figure 1
Figura 1 : Ilustração de eletrólito gating. (a) a figura esquemática de transistor de efeito de campo convencional pelo portão sólido. (b) a figura esquemática de doping eletrostática por retenção de eletrólitos. Por tomar colocando a intermedium dielétrico sólido em eletrólito, o efeito de doping eletrostático é mais eficiente desde que a constante dielétrica do líquido é muito maior do que o sólido. Um grande número de transportadoras é acumulado na superfície da amostra. (c) a figura esquemática de dopagem eletroquímica por intercalação de eletrólito gating-induzida. Os íons positivos são intercalados na amostra, induzindo mais transportadoras a granel. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2 : Fabricação de dispositivo da WS2 nanotubo e floco. (a) e (b) WS2 NT, que foi a primeira configuração do pó, são dispersos no líquido do IPA. (c) a fotografia de um indivíduo WS2 NT selecionado por microscopia óptica após a dispersão de WS2 NT sobre o substrato e coberto por PMMA. (d) a figura esquemática do padrão projetado para WS2 NT pelo AutoCAD. (e) a fotografia do padrão de dispositivo de um indivíduo WS2 NT após processo de litografia de feixe de elétrons e o processo de desenvolvimento. (f) a fotografia do dispositivo de um indivíduo WS2 NT após a deposição de eletrodos. (g) e (h) a foto de WS2 granel amostras em uma fita e a fotografia de esfoliada WS2 amostras depois de dobrar e desdobrar a fita várias vezes. (i) a fotografia de um floco de2 WS selecionado por microscopia óptica após transferi-la sobre o substrato e coberto por PMMA. floco (j) a figura esquemática do padrão projetado para um WS2 pelo AutoCAD. (k) a fotografia do padrão de dispositivo de um floco de2 WS após processo de litografia de feixe de elétrons e o processo de desenvolvimento. floco (l) a fotografia do dispositivo de um WS2 após a deposição de eletrodos. (m) a fotografia de um dispositivo isolado após RISC processo e processo de decolagem. O padrão típico de dispositivo do dispositivo de retenção de eletrólito é mostrado. Eletrodos para medições de transporte, além de um portão lateral foi posicionado perto da amostra. (n) a fotografia do dispositivo sobre o rotador horizontal após a ligação do fio-processo. (o) a fotografia do dispositivo após a ligação do fio-processo. (p) a fotografia do dispositivo para retenção de eletrólito com uma gota de líquido iônico na parte superior, abrangendo tanto a amostra e os eletrodos de portão de lado. (q) a fotografia de sistemas de medição típico (PC e sistema de medição de propriedades físicas). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3 : Transistor operação, intercalação eletroquímica e supercondutividade elétrica campo-induzida no dispositivo de nanotubo e floco WS2. (a) a curva de transferência ambipolarWS 2 do NT em 300 K. Source-dreno tensão VDS é 0,2 mV e velocidade arrebatadora do portão da tensão VG é 50 mV/s. (b) a curva de transferência ambipolar do floco de2 WS em 300 K. V DS é 0.1 V e varrendo a velocidade da tensão do portão 20 mV/s. (c) fonte-dreno atual euDS é como uma função de VG e tempo de espera durante a intercalação eletroquímico em WS2 NT. Um comportamento de saturação do DS tem sido observado quando aumentar dramaticamente o VGe um segundo aumento de euDS tem sido observado no fixo VG durante espera dois minutos. (d) euDS em 300 K (à esquerda) e a densidade de transportadora estimado pelo efeito Hall em 200K (à direita) em função de VG no WS2 floco. Saturação e segundo aumento deDS tem sido observado também no floco. A densidade do portador mostra o grande aumento na grande região deG V, indicando o processo de intercalação. e dependência da temperatura da resistência dos WS2 NT após processo de intercalação. Supercondutores de transição tem sido observada em dependência da temperatura de K. (f) 5.8 da resistência dos WS2 floco após processo de intercalação. Supercondutores de transição tem sido observada em 8 K. Todas as figuras foram reproduzidas e modificadas de Qin, F. et al . e Shi, w. et al. 38 , 50 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Em WS2 NTs e flocos, nós ter controlado com sucesso as propriedades elétricas por eletrostáticas ou eletro químico portador de doping.

Na região de dopagem eletrostática, operação do transistor ambipolar tem sido observada. Essa curva de transferência ambipolar com uma alta de ligar/desligar ratio (> 102) observados em viés de baixa tensão indica a transportadora eficaz de doping na interface da técnica associada do eletrólito para o ajuste do nível de Fermi destes sistemas.

Embora este método é como vantajoso para tuning de grande quantidade de número de porta-aviões em viés pequeno portão comparado com o método convencional de sólida associado, existem várias limitações desta técnica. Primeiro, porque o controle de número de transportadora é realizado através do portão de líquido, não é capaz de ajustar o número de porta-aviões abaixo da temperatura congelado de eletrólito/iônico líquido12,28,29,30. Portão de sólidos convencional, por outro lado, é válido para nem baixa temperatura, embora não seja tão eficiente quanto o portão líquido eletrólito/iônico em alta temperatura (perto da temperatura ambiente). Em segundo lugar, muitos materiais são conhecidos para mostrar a reação química com o eletrólito/iônico líquido em condições específicas59,60,61,,62,63. Tal reação química facilmente quebra os dispositivos e limita a relação bem sucedida de experimentos ou aplicativo para os materiais.

No entanto, as pessoas recentemente reconheceram que a reação química pode ajudar para a aplicação futura, tais como decapagem química para desbaste filmes59,60 e intercalação eletroquímica para fortemente os elétrons9 de doping ,11,34,38,50,,51,52,53 e fase de transformação61,62 ,,63. Uma técnica semelhante foi também adaptada para53 52,51,do condutor sólido íon e mesmo fotoativa Edit tem sido desenvolvidos64.

Na região de dopagem eletroquímica, temos observado a supercondutividade elétrica campo-induzida. A diferença da temperatura de transição supercondutora entre WS2 NTs e flocos, que é possivelmente devido a baixa dimensionalidade da NTs, deve ser ainda mais perseguida no futuro.

Como claramente demonstrado nos resultados deste estudo, número transportador pela retenção de líquidos iônicos fornece um poderoso método para pesquisar a fase de transição quântica em nanomateriais.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Reconhecemos o que apoio financeiro a seguir; Subsídio para promovido especialmente pesquisa (n º 25000003) de JSPS, subsídio para investigação atividade start-up (No.15H06133) e pesquisa desafiador (exploratória) (não. JP17K18748) do MEXT do Japão.

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

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Engenharia edição 134 transistor de dupla camada eletrolítica associado elétrico intercalação supercondutividade dichalcogenides metal TMDs dissulfeto de tungstênio WS2 nanotubo de transição
Campo elétrico controle de Estados eletrônicos em WS<sub>2</sub> nanodispositivos por retenção de eletrólitos
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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).

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