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Engineering

Campo eléctrico Control de Estados electrónicos en WS2 nanodispositivos de electrolito que bloquean

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

Aquí, presentamos un protocolo para controlar el número de portador en sólidos mediante el electrolito.

Abstract

Se demuestra un método de control número de portador por electrolito gating. Hemos obtenido WS2 escamas finas con plano atómico mediante el método de cinta scotch o individuales WS2 nanotubos por dispersión de la suspensión de WS2 nanotubos. Las muestras seleccionadas han sido fabricadas en los dispositivos por el uso de la litografía por haz de electrones y electrolitos se ponen en los dispositivos. Se han caracterizado las propiedades electrónicas de los dispositivos aplicando el voltaje de la puerta. En la región de tensión de puerta pequeña, los iones en el electrolito se acumulan en la superficie de las muestras que lleva al gran eléctrica potencial gota resultante electrostático portador y dopaje en la interfaz. Curva de transferencia ambipolar se ha observado en esta región de dopaje electrostática. Cuando más se incrementa el voltaje de la puerta, nos encontramos con otro aumento drástico de la corriente de desagüe de la fuente que implica que los iones se intercalan en capas de WS2 y electroquímica portador del dopaje se realiza. En tal región dopaje electroquímica, se ha observado superconductividad. La técnica enfocada proporciona una potente estrategia para lograr la transición de fase cuántica eléctrico-presentado-inducida.

Introduction

Control del número de operador es la técnica clave para la realización de la transición de fase cuántica de sólidos1. En el transistor de efecto de campo convencionales (FET), se logra por medio de la puerta sólida1,2. En dicho dispositivo, gradiente potencial eléctrico es uniforme a lo largo de los materiales dieléctricos para que ese número de operador inducido en la interfaz se limita, se muestra en la Figura 1a.

Por otra parte, podemos conseguir la mayor densidad del portador en la interfaz o a granel mediante la sustitución de los materiales dieléctricos sólidos con líquidos/geles iónicos o polímero electrolitos3,4,5,6, 7,8,9,10,11 (Figura 1b). En la electrostática dopaje por uso del líquido iónico, estructura de transistor (EDLT) de doble capa eléctrica se forma en la interfase entre líquido iónico y de la muestra, generando campo eléctrico fuerte (> 0.5 V/Å) incluso en baja tensión diagonal. Densidad resultante portador (> 10 cm de14 -2) indujo a la causa de13 interfaz10,12,la novela electrónica propiedades o quantum transición de fase como ferromagnetism inducida por campo eléctrico14, bloqueo de Coulomb15, transporte ambipolar16,17,18,19,20, 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, formación de ensambladura del p-n y resultante electroluminance28,29,30, modulación de grandes poderes termoeléctricos31,32, onda de la densidad de la carga y Transiciones de Mott33,34,35, y36,37 incluyendo superconductividad inducida por campo eléctrico9 la transición metal aislante inducida por campo eléctrico ,10,11,38,39,40,41,42,43,44 ,45,46,47,48,49.

En el electrolito sincronización (figura 1C), los iones no sólo se acumulan en la interfase que forma EDLT, pero pueden ser también intercalados en capas de dos dimensiones materiales por difusión térmica sin dañar muestra bajo aplicando el voltaje de la puerta grande, llevando a la electroquímica dopaje8,9,11,34,38,50,51,52,53 . Así, podemos cambiar drásticamente el número de portador en comparación con el transistor del efecto de campo convencionales usando la puerta sólida. En particular, la superconductividad inducida por campo eléctrico9,11,34,38,50 se realiza por el uso de electrolitos gating en región de grandes portador número donde nosotros no podemos acceder al método bloquea sólido convencional.

En este artículo, presentamos esta técnica única de control número de portador en sólidos y resumen el funcionamiento del transistor y superconductividad inducida por campo eléctrico en semiconductores WS2 muestras como escamas de2 WS WS2 los nanotubos54,55,56,57.

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Protocol

1. dispersión de WS 2 nanotubos (NTs) en el substrato

  1. Dispersar los polvos2 NT WS en alcohol isopropílico (IPA, concentración de más del 99,8%) con proporción adecuada diluido (aproximadamente 0.1 mg/mL) por sonicación durante 20 minutos.
    Nota: La sonicación durante mucho tiempo ayuda a hacer WS2 NTs uniformemente suspendidos en líquido de la IPA y a WS individuales bien formado separado2 NTs de amorfo WS2 u otros desperdicios, así como para eliminar la basura que se acumule en WS2 NTs superficie. Figura 2b muestra la suspensión final de WS2 NTs. Puesto que la suspensión podría ser calentada durante el proceso de sonicación, es mejor dejar de sonicación a cada 5 min y continuar sonicación después de 1 minuto.
  2. Procedimiento de spin-coating para dispersar WS2 NTs en el substrato.
    1. Inicie la máquina recubridor spin y la bomba de vacío. Ponga un Si/SiO2 (3000 Å) substrato (1 cm x 1 cm) en el centro de la tirada y la corrección por vacío con bombeo de velocidad de 80 L/min y máxima presión de 20 kPa.
      Nota: Hay un orificio que se encuentra en el centro de la tirada que se conecta a la bomba de vacío, así el sustrato se fija por presión del vacío (velocidad de bombeo es de 80 L/min y última presión es 20 kPa). La presión de vacío puede ser diferente dependiendo de la bomba.
    2. Establecer los parámetros relevantes del procedimiento de panel de control de la máquina recubridor spin.
      Nota: Hay tres pasos durante el proceso de spin-coating: (1) lentamente la velocidad hasta 500 rpm dentro de los primeros 3 s, (2) rápidamente hasta 4000 rpm de la velocidad y continuar durante 50 s, (3) lento y parada de giro para los 3 últimos s. Estos parámetros pueden ser diferentes dependiendo en el uso del spin coater.
    3. Poner una gota (aproximadamente 0,01 mL) de suspensión de WS2 NT hecha en (1.1) por una pipeta en el sustrato hasta que el sustrato está completamente cubierto por la suspensión (si no, poner más gotas). Entonces comienzo spin-revestimiento de parámetros relevantes en (1.2.2).

2. preparación de fina escama en el substrato mediante método de cinta scotch

  1. Poner una muestra de pequeño bulto de WS2 (crecido por el método de transporte de vapor químico) en la cinta scotch. Doblar la cinta scotch y desdoblar lentamente para exfoliar mecánicamente la capa delgada de la mayor parte. Repita este procedimiento varias veces, hasta que las muestras exfoliadas son lo suficientemente delgadas.
    Nota: Figura 2 g y 2 h muestran la cinta inicial con poca muestra de bulto de WS2 y la cinta final después de procedimientos múltiples plegables, respectivamente.
  2. Pegar la cinta scotch en la parte superior en el substrato hacia abajo, presione ligeramente la cinta y retire cuidadosamente la cinta de la parte superior del sustrato.
    Nota: Después de quitar la cinta, hay muchas escamas finas en el sustrato.

3. fabricación de dispositivo de litografía por haz de electrones.

  1. Proceso de spin-coating para resistir de litografía por haz de electrones.
    1. Siga el mismo procedimiento de spin-coating descrito en (1.2.1) y (1.2.2).
    2. Colocar una gota (aproximadamente 0,04 mL) de polimetil metacrilato (PMMA) por una pipeta en el sustrato hasta que el sustrato está completamente cubierto por PMMA. Iniciará procedimiento de spin-coating para cubrir uniformemente el PMMA en muestra de2 WS para evitar de ser expuesta en el aire.
      Nota: El PMMA es uno de lo resiste de litografía por haz de electrones.
    3. Después de spin-coating, poner el sustrato en la placa caliente a 180 ° C y calentar durante 1 minuto.
      Nota: Los parámetros pueden ser diferentes dependiendo de los tipos de resistencia.
  2. Selección de la muestra por microscopía óptica.
    1. Inicio de la microscopía óptica y la cámara. Poner el sustrato en el escenario.
    2. Mover etapa y explorar toda la región del sustrato con adecuado aumento (20 X) y mientras tanto, seleccionar las muestras aisladas con el tamaño adecuado.
      Nota: En total, 6 a 10 muestras aisladas generalmente seleccionables para cada sustrato de 1 cm x 1 cm.
    3. Tomar fotos de cada muestra seleccionada con diferentes aumentos de 5 X, 20 X y 100 X. Esas fotos se utilizan para identificar la ubicación de cada muestra.
  3. Diseño del patrón del dispositivo a gran escala.
    1. Activar el software de AutoCAD y carga el formato de enrejado de sustrato. Insertar fotos en (3.2) e identificar el tamaño y la ubicación de cada foto según las marcas en el substrato.
    2. Insertar un cuadrado grande con longitud de 1200 μm y una pequeña plaza con longitud de 300 μm que deben rodear a cada muestra.
    3. Patrones a gran escala de diseño incluyendo la puerta, fuente, desagüe y otros cojines en la gran plaza excepto estructuras finas cerca de la muestra. Diseño de marcas pequeñas cerca de la muestra a identificar con precisión la ubicación de las muestras en el posterior proceso de diseño para el modelo de dispositivo en pequeña escala.
    4. Repetir (3.3.2) a (3.3.3) para cada muestra.
    5. Registrar las coordenadas del centro de cada cuadrado grande y pequeña, respectivamente.
    6. Eliminar fotos insertadas, grandes y pequeñas plazas y formato de enrejado de sustrato, dejando solamente el diseño patrones grandes y pequeñas marcas. Exportación de patrones de grandes y pequeñas marcas como archivos dxf, respectivamente.
  4. Primera litografía por haz de electrones.
    1. Poner el sustrato en el escenario y arreglarlo e Inserte la etapa en la cámara principal de máquina de litografía de haz de electrón.
    2. Activar el programa ECA (un programa para la generación de un archivo utilizado en el proceso de haz de electrones). Establecer el tamaño del campo como 300 para la litografía de pequeñas marcas. Utilice la herramienta del convertidor de dxf para transferir archivo dxf a archivo del celular.
    3. Carga el archivo de celular generado en (3.4.2), introduzca el nombre de archivo, identificar el origen e identificar los puntos con coordenadas de pequeños cuadrados en (3.3.5). Finalmente, identificar las coordenadas de grande y marcas de marcas B y pequeña A y B para cada punto.
      Nota: El grande y B las marcas se utilizan para corregir la dirección de la etapa, mientras que la pequeña A y B las marcas se utilizan para identificar el desajuste entre el diseño del patrón y patrón impreso, durante el proceso de diseño en pequeña escala.
    4. Guarde el archivo como archivo con y espere hasta que la presión dentro de la cámara principal es inferior a 5 x 10-5 PA.
      Nota: Debido a que el haz de electrones es alta energía (50 kV de voltaje de aceleración), se necesita la alta calidad de vacío.
    5. Cuando la presión de la cámara principal se convierte en baja lo suficiente para el proceso de litografía de haz electrónico, activar programa de control de haz de electrón ESL-7500 y posteriormente encender el arma de electrón.
    6. Encienda el microscopio electrónico de barrido (SEM) y pasar la etapa en la posición donde el sustrato es en la pantalla. Ajustar el brillo, contraste y enfoque.
    7. A juzgar por la posición relativa de los grandes A y B para ajustar el ángulo de la fase marcas diseñadas originalmente en el sustrato hasta que el error de dirección es despreciable en el aumento de 5000 X. Después de corregir la dirección de la etapa, registrar la posición de la marca.
    8. Establecer la amplitud del haz de electrones para litografía; 100 pA es para litografía de marcas pequeñas. Hacia la etapa de la posición para el ajuste de la amplitud y seleccionar el modo spot para la cámara, cambiar la amplitud del haz de electrones hasta llegar a 100 pA por metro del amperio. Después de fijar la amplitud del haz de electrones, ajustar el brillo, contraste y enfoque.
    9. Carga salvado con archivo (3.4.4) en el programa de la cepa. Establecer los parámetros relevantes: 2 s dosis y 300 para el tamaño del campo. Finalmente iniciar el proceso de exposición.
      Nota: Tiempo de dosis puede ser diferente dependiendo de la resistencia.
    10. Volver a programa de control de haz de electrón ESL-7500, ponga 5000 X de magnificación y mueva la etapa en la posición registrada del grande una marca. Confirme la posición de los grandes A y B marcas.
    11. Ajuste 30000 X de ampliación y confirme la posición de la pequeña A y B marca para la litografía de las primeras marcas pequeño diseñado en (3.3.3).
      Nota: La litografía comienza después de pequeñas marcas y tarda varios segundo.
    12. Después de terminar la litografía, repita este procedimiento para todas las muestras. Por fin, dejar el proceso de exposición y cerrar el programa de la cepa.
    13. Siga el mismo proceso de (3.4.2) (3.4.10) con diferentes parámetros para la litografía del gran patrón diseñado en (3.3.3). En (3.4.2), establecer el tamaño del campo como 1200. En (3.4.3), solamente identificar coordenadas de grande A y B marca a excepción de la pequeña A y B marcas. En (3.4.8), establecer la amplitud del haz de electrones como 1000 pA de la litografía del gran patrón. En (3.4.9), seleccione 1200 tamaño de campo.
      Nota: Después del proceso de (3.4.10), la litografía del patrón grande comienza y toma varias horas.
    14. Después de terminar la litografía del gran patrón, hacia la etapa de la posición original, apague el haz de electrones y dejar el proceso de exposición y el programa de la cepa. Abrir la cámara principal y quitar el sustrato.
  5. En primer lugar el desarrollo.
    1. Hacer una solución de metil isobutil cetona (MIBK) y API con el cociente de MIBK: IPA = 1:3. Mojar el sustrato en la solución durante 30 s y lavar por el líquido del IPA y seco por el arma del nitrógeno.
      Nota: Tiempo de desarrollo puede cambiar dependiendo de las condiciones ambientales como temperatura y humedad.
    2. Tomar fotos por microscopía óptica para cada patrón impreso con diferentes aumentos de 5 X, 20 X y 100 X.
  6. Diseño del dispositivo en reducida escala patrón.
    1. Seguir el mismo proceso en (3.3). En (3.3.1), cargar el patrón de enrejado de sustrato, incluyendo las marcas pequeñas diseñadas en (3.3.3) e inserte fotos tomadas después de desarrollar primero.
      Nota: El tamaño y la ubicación de cada foto depende las marcas pequeñas en (3.3.3), en lugar de marcas en el substrato.
    2. Diseño de la estructura fina del patrón de dispositivo con fuente, desagüe y otros electrodos en pequeñas plazas en una configuración de bar salón, que está conectado con el patrón impreso grande. Después de diseñar patrones pequeños para todos los dispositivos, registrar las coordenadas de los cuadrados pequeños.
    3. Eliminar fotos insertadas, pequeñas plazas y patrón de sustrato, dejando sólo los patrones pequeños diseñados. El pequeño patrón de exportación como archivo dxf.
  7. Segunda litografía por haz de electrones.
    1. Siga el mismo proceso de (3.4.1) (3.4.11) con los mismos parámetros para la litografía del pequeño patrón diseñado en (3.6); establecer 300 para el tamaño del campo y seleccione a 100 pA de la amplitud del haz de electrones.
      Nota: El proceso de litografía tarda varios minutos para que cada pequeño patrón.
    2. Después de la litografía de pequeño patrón, hacia la etapa de la posición original, apagar el haz de electrones, dejar el proceso de exposición y cerrar el programa de la cepa. Abrir la cámara principal y quitar el sustrato.
  8. En segundo lugar el desarrollo.
    1. Seguir el mismo proceso en (3.5) con el mismo tiempo en desarrollo 30 s.
    2. Tomar fotos por microscopía óptica para cada patrón con diferentes aumentos de 5 X, 20 X y 100 X.

4. deposición de los electrodos

  1. Deposición de electrodos de oro.
    1. Fijar el sustrato soporte del sustrato, poner el soporte del sustrato en la barra de transferencia e inserte en la cámara principal del evaporador. Empezar a girar el soporte del sustrato.
    2. Primer depósito Cr de 5 nm de espesor de la capa de adherencia. Cuando la presión dentro de la cámara principal se convierte en menos de 10-4 Pa, encienda la fuente de alto voltaje.
    3. Aumentar la corriente del cañón de electrones con cuidado con el voltaje de aceleración fija de 4 kV, hasta que la tasa de depósito medida por monitor grueso se convierte en estable sobre 0,5 Å/s (generalmente se evaporan antes Cr de aproximadamente 5 nm).
    4. Abra el obturador y el depósito Cr hasta llegar a 5 nm de espesor. Cerrar la persiana poco a poco disminuir la corriente del cañón de electrones a cero y apague la fuente de alto voltaje.
    5. Posteriormente depositar Au de espesor apropiado. Encienda la fuente de corriente y lentamente aumente la corriente hasta 30 a. evapórese Au manteniendo la corriente de 30 A, hasta que la tasa de depósito medida por monitor grueso se convierte en estable alrededor de 1 Å/s (generalmente previamente evaporar Au de unos 10 nm).
    6. Abra el obturador y empezar a depositar Au. Después de alcanzar el espesor deseado, cierre el obturador, lentamente disminuya la corriente a cero y apague la fuente actual.
      Nota: Utilizamos 60 nm de escama fina y 90 nm para NT. El grosor apropiado depende de la muestra.
    7. Puesto que el substrato se calienta durante el proceso de deposición, siendo el sustrato dentro de la cámara durante 1 hora para enfriar su temperatura hasta cerca de temperatura ambiente. Deje de girar el soporte del sustrato y sacar por barra de transferencia.
  2. Deposición de capa de protección de SiO2 .
    1. Con la ayuda de microscopía óptica, cubrir las almohadillas y los electrodos de la puerta por la cinta.
      Nota: En principio, sólo las estructuras finas de los electrodos están expuestas a la capa de depósito de SiO2 para la protección de los electrodos contra la reacción química en el electrolito que bloquean.
    2. Seguir el mismo proceso de (4.1.1) a (4.1.4) para depósito Cr de 5 nm de espesor como capa de adherencia.
    3. Posteriormente seguir el mismo proceso de (4.1.1) a (4.1.4) para depositar SiO2 de 20 nm de espesor.
      Nota: La tasa de depósito de SiO2 es 1 Å/s, mientras que la evaporación SiO2 de unos 10 nm.
    4. Enfriar el sustrato dentro de la cámara de 1 h. parada girando el soporte de sustrato y sacar por la barra de transferencia. Retire la cinta bajo microscopia.

5. terminación del dispositivo de

  1. Trazado de sustrato.
    1. Encienda la máquina y la bomba de vacío con la velocidad de bombeo de 50 L/min y máxima presión de 30 kPa trazado. Fijar el sustrato en el escenario vacío chuck y ajustar el ángulo y la posición del sustrato.
    2. Escriba el sustrato en trozos pequeños (generalmente de 3 x 3 mm).
      Nota: El tamaño de cada pieza depende de la ubicación de cada muestra seleccionada y el patrón de diseño.
  2. Despegue del aparato.
    1. Seleccione un dispositivo y sumergir en acetona (concentración mayor al 99,5%) durante 1 h a temperatura ambiente para eliminar el PMMA redundantes y el oro. Solamente los electrodos fabricados se quedan en el substrato.
    2. Tras el proceso de despegue, lavar el substrato por API y secar por el arma del nitrógeno.
  3. WIRE-bonding.
    1. Encienda la máquina wire-bonding. Fijar el sustrato en el portador de viruta vía plata pasta.
      Nota: Para el caso de2 NT WS, utilizamos rotor horizontal que se muestra en la figura 2n.
    2. Con la ayuda de la máquina de wire-bonding, Conecte cada cojín del electrodo y el electrodo del portador de viruta uno por uno con un alambre de oro.
  4. Electrólito poner gotita.
    1. Poner una gotita de electrolito (menos de 0.5 μl) en la parte superior de dispositivo por una pinza después de la inmersión en el líquido del electrólito.
      Nota: La cantidad de electrolito es muy poco; cubre la estructura fina del dispositivo y cojín puerta pero evita cubriendo los cojines del electrodo. Utilizamos el electrolito de KClO4 (concentración mayor al 99%) disuelto en polietilenglicol (PEG; Mw = 600) con un [K]: relación entre [O] 1:20 según la publicación anterior38.

6. transporte medidas

  1. Fijar el chip-carrier en el portamuestras y ponerlo dentro de la cámara de sistema de medición de propiedades físicas por la barra de transferencia. La cámara de la bomba por el modo de alto vacío.
  2. Conecte el sistema de medición incluyendo amplificadores lock-in, nano-voltímetro, medidor de la fuente y amplificador. Una constante corriente alterna (CA) se aplican con la frecuencia de 13 Hz a realizar las mediciones de AC-lock-in.
  3. Ejecute el programa Keysight VEE (programas de medición).
  4. En la medida de la respuesta de la puerta, cuando el voltaje de la puerta se aplica a los electrolitos (es decir., entre la fuente y puerta de electrodos), barrer la tensión de puerta con velocidad de 50 mV/s en 300 K, bajo condiciones de alto vacío para reducir la influencia del aire en la control de rendimiento.
  5. En la medida de dependencia de la temperatura de la resistencia, primero enfriar hasta 200 K con la velocidad de enfriamiento de 1 K/min en condiciones de alto vacío y cambiar a la condición purgado y mantener refrigeración hasta 10 K con la velocidad de enfriamiento de 1 K/min. Cuando la temperatura es inferior a 10 K, enfriar y calentar con la tasa de 0,2 K/min.
    Nota: En la condición purgado, la conductancia térmica y la temperatura resultante estabilidad es mejor que aquellos en condiciones de alto vacío.

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Representative Results

Las operaciones de transistor típico de un individuo WS2 NT y un dispositivos WS2 escama se muestran en la figura 3a y 3b, respectivamente, donde la fuente de drenaje actual (DS) como una función de la tensión de puerta (V G) funciona muy bien en un modo ambipolar, mostrando un notable contraste con la respuesta puerta unipolar FET cerrada sólido convencional en anterior publicación58. Teniendo en cuenta que el comportamiento ambipolar es reversible y repetibles, estas operaciones del transistor son probablemente debido al doping electrostático. En el dopaje de la electrostática, los iones se acumulan en la superficie de las muestras, que conduce al gran eléctrica potencial caída resultante portador y dopaje en la interfaz (Figura 1b).

Dopaje electroquímico por la intercalación (figura 1C), por otra parte, se realiza en la región de tensión de puerta grande, causando mucho mayor concentración de electrones en la mayor parte de la muestra, en vez de en la superficie de la muestra por dopaje electrostático. Un proceso de intercalación típico se muestra en la Figura 3C. Cuando el voltaje de la puerta en primer lugar se incrementa hasta 8 V con una velocidad constante de 50 mV/s, DS muestra un comportamiento de saturación que indica la electrostática dopaje, similar al caso de2 WS 2D como se muestra en la figura 3b. Cuando el voltaje de la puerta se mantiene en 8 V para un par de minutos, otro aumento drástico de DS por más de dos órdenes de magnitud se ha observado como se muestra en la Figura 3C. Este aumento actual de desagüe fuente probablemente se atribuye a la intercalación de iones de K+ desactivación en capas de2 WS sin dañar la estructura del cristal. Este proceso produce mucho mayor concentración de portador a granel en comparación con el dopaje electrostática en la superficie.

Como se muestra en la Figura 3d, el proceso de intercalación similar también se realiza en WS2 escama. Cuando el voltaje de la puerta en primer lugar se incrementa hasta 6 V, DS muestra un comportamiento similar de la saturación. Por otro lado, densidad del portador estimado por efecto Hall no cambian significativamente, mostrando el comportamiento de saturación similar. Cuando el voltaje de la puerta se vuelve mayor que 6 V, DS aumenta otra vez debido a la ocurrencia de intercalación que se prueba por el claro aumento de la densidad del portador.

Dependencias de la temperatura de la resistencia de WS2 NTs y escamas después de dopaje electroquímico se muestran en la figura 3e y 3f, respectivamente. En ambos casos, la resistencia muestra el comportamiento metálico y superconductividad aparece en la región de baja temperatura.

Figure 1
Figura 1 : Ilustración de electrolito gating. (a) la Figura esquemática de transistor de efecto de campo convencional por puerta sólida. (b) la Figura esquemática de dopaje electrostático por electrolito gating. Por tomar colocando el intermedium del dieléctrico sólido en electrólito, el efecto electrostático de dopaje es más eficiente ya que la constante dieléctrica del líquido es mucho mayor que el sólido. Un gran número de portadores se acumula en la superficie de la muestra. (c) la Figura esquemática de dopaje electroquímico por intercalación de electrolitos-compuerta-inducida. Los iones positivos se intercalan en la muestra, induciendo a más portadores en la mayor parte. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2 : Fabricación de dispositivos de nanotubos WS2 y escama. (a) y (b) WS2 NT, que fue la primera configuración de polvo, se dispersan en el líquido de la IPA. (c) la fotografía de un individuo WS2 NT seleccionados por microscopía óptica después de la dispersión de WS2 NT sobre el substrato y cubiertos por PMMA. (d) la Figura esquemática del patrón diseñado para WS2 NT por AutoCAD. (e) la fotografía del modelo de dispositivo de un individual WS2 NT después de proceso de litografía de haz de electrones y el proceso de desarrollo. (f) la fotografía del dispositivo de un individual WS2 NT después de la deposición de los electrodos. (g) y (h) la fotografía de las muestras de a granel de2 WS en una cinta y la fotografía de muestras de2 WS exfoliadas después de plegar y abrir la cinta varias veces. (i) la fotografía de un WS2 escamas seleccionados por microscopía óptica después de la transferencia sobre el substrato y cubiertos por PMMA. escama (j) la Figura esquemática del patrón diseñado para una WS2 por AutoCAD. (k) la fotografía de la estructura del dispositivo de un WS2 escamas después de proceso de litografía de haz de electrones y el proceso de desarrollo. escama (l) la fotografía del dispositivo de un WS2 después de la deposición de los electrodos. (m) la fotografía de un dispositivo aislado después de trazado el proceso y el proceso de despegue. Se muestra el patrón típico de dispositivo del dispositivo para control de electrolitos. Además de los electrodos para medidas de transporte, una puerta lateral fue colocada cerca de la muestra. (n) la fotografía del dispositivo en el rotor horizontal después de proceso de unión de alambre. o la fotografía del dispositivo después de proceso de unión de alambre. (p) la fotografía del dispositivo para el electrolito que bloquean con una gota de líquido iónico en la tapa que cubre la muestra y los electrodos de la puerta de lado. (q) la fotografía de los sistemas de medición típica (PC y sistema de medición de propiedades físicas). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 : Operación de transistor, intercalación electroquímica y superconductividad inducida por campo eléctrico en dispositivo nanotubo y escama WS2. (a) la curva de transferencia ambipolar de WS2 NT 300 voltaje drenaje fuente K. VDS es 0,2 mV y velocidad de barrido de voltaje de la puerta VG es de 50 mV/s. (b) la curva de transferencia ambipolar de WS2 escama en 300 K. V DS es 0.1 V y 20 mV/s. (c) drenaje de fuente actual DS barrido de velocidad de voltaje de la puerta es como una función de VG y tiempo de espera durante la intercalación electroquímica en WS2 NT. Un comportamiento de saturación de DS se ha observado al aumentar dramáticamente VGy un segundo aumento de DS se ha observado en VfijoG durante espera par de minutos. (d) DS a 300 K (izquierda) y portador de la densidad estimada por efecto Hall en 200 K (derecha) en función de VG en el WS2 escama. Saturación y segundo incremento deDS se ha observado también en la escama. La densidad del portador de la muestra el gran aumento en la granG de Vregión, indicando que el proceso de intercalación. (e) dependencia la temperatura de la resistencia de WS2 NT después de proceso de intercalación. Se ha observado transición superconductora en 5.8 dependencia de K. (f) de temperatura de resistencia de la WS2 escama después del proceso de intercalación. Se ha observado transición superconductora en 8 K. Todas las figuras se han reproducido y modificado de Qin, F. et al. y Shi, w. et al. 38 , 50 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

En WS2 NTs y en escamas, con éxito hemos controlado las propiedades eléctricas de electrostática o electro químico portador dopaje.

En electrostática región dopaje, operación de transistor ambipolar ha observado. Tal curva de transferencia ambipolar con una alta proporción de encendido-apagado (> 102) observado en sesgo baja tensión indica al transportista efectivo dopaje en la interfaz de la técnica de bloquea de electrolito para ajustar el nivel de Fermi de estos sistemas.

Aunque este método es como ventajosas para la adaptación de gran cantidad de número de transportista en diagonal de la puerta pequeña en comparación con el método bloquea sólido convencional, existen varias limitaciones de esta técnica. En primer lugar, porque el control número de portador se realiza vía puerta de líquido, no es capaz de ajustar el número de portador debajo de la temperatura congelada de electrolito/iónico líquido12,28,29,30. Puerta sólida convencional, por el contrario, es válida para temperatura aún baja, aunque no es tan eficiente como puerta líquido electrolito/iónico de alta temperatura (cerca de temperatura ambiente). En segundo lugar, muchos materiales son conocidos por Mostrar la reacción química con electrolito/iónico líquido en condiciones específicas59,60,61,62,63. Tal reacción química fácilmente rompe los dispositivos y limita la relación exitosa de experimentos o aplicación a los materiales.

Sin embargo, las personas han reconocido recientemente que la reacción química podría ayudar para el uso futuro, como el grabado químico para adelgazamiento films59,60 y la intercalación electroquímica para fuertemente electrón dopaje9 ,11,34,38,50,51,52,53 y fase transformación61,62 ,63. Una técnica similar ha sido también adaptada para ion sólido conductor51,52,53 e incluso fotoactivos EDLT ha desarrollado64.

En la región de dopaje electroquímica, hemos observado la superconductividad inducida por campo eléctrico. La diferencia de la temperatura de transición superconductora WS2 NTs y las escamas, que es posiblemente debido a la menor dimensionalidad del NTs, debe aplicarse más en el futuro.

Como quedó claramente demostrado en los resultados de este estudio, control número de portador por la compuerta líquido iónico proporciona un método poderoso para buscar la transición de fase cuántica en nanomateriales.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Reconocemos que los siguientes financieros apoyan; Subvenciones para promovieron especialmente investigación (Nº 25000003) de JSP, subvenciones para investigación actividad puesta en marcha (No.15H06133) y difícil investigación (exploratorio) (no. JP17K18748) de MEXT de Japón.

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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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).

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