Controllo campo elettrico degli stati elettronici in nanodispositivi2 WS di elettrolita Gating

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Summary

Qui, presentiamo un protocollo per controllare il numero di elemento portante nei solidi utilizzando l'elettrolita.

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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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Abstract

È dimostrato un metodo di controllo del numero di elemento portante da elettrolita gating. Abbiamo ottenuto WS2 scaglie sottili con superficie atomicamente piana tramite metodo di nastro adesivo o singoli WS2 nanotubi disperdendo la sospensione di nanotubi di WS2 . I campioni selezionati sono stati fabbricati in dispositivi mediante l'uso della litografia a fascio di elettroni e dell'elettrolito è messo sui dispositivi. Abbiamo caratterizzato le proprietà elettroniche dei dispositivi sotto applicando la tensione di gate. Nella regione di tensione piccolo cancello, ioni nell'elettrolita sono accumulati sulla superficie dei campioni che conduce al grande elettrico potenziale goccia e conseguente elettrostatico vettore il doping a livello di interfaccia. Curva di trasferimento ambipolare è stato osservato in questa regione di verniciatura elettrostatica. Quando la tensione di gate è ulteriormente aumentata, abbiamo incontrato un altro drastico aumento della corrente di fonte-scarico che implica che gli ioni sono intercalati in strati di WS2 ed elettrochimica vettore doping è realizzato. In tale regione doping elettrochimica, superconduttività è stato osservato. La tecnica focalizzata fornisce una strategia potente per raggiungere la transizione di fase quantistica elettrico-archiviato-indotta.

Introduction

Controllo del numero di elemento portante è la tecnica fondamentale per realizzare la transizione di fase quantistica in solidi1. Nel transistore di effetto di campo convenzionale (FET), viene realizzato tramite uso del massello cancello1,2. In un dispositivo, pendenza potenziale elettrico è uniforme in tutto i materiali dielettrici così quel numero di vettore indotto all'interfaccia è limitato, mostrato in Figura 1a.

D'altra parte, possiamo raggiungere la più alta densità dell'elemento portante all'interfaccia o alla rinfusa, sostituendo i materiali dielettrici solidi con gel/liquidi ionici o polimero elettroliti3,4,5,6, 7,8,9,10,11 (Figura 1b). L'antidoping elettrostatica per uso del liquido ionico, struttura di transistor (EDLT) doppio strato elettrico è formata all'interfaccia tra liquido ionico e campione, generando forte campo elettrico (> 0,5 V/Å) anche a bassa tensione di polarizzazione. Densità risultante dell'elemento portante alta (> 1014 cm-2) indotto alla causa13 interfaccia10,12,il romanzo transizione di fase quantistica o proprietà elettronica come elettrico-campo-induced ferromagnetismo14, blocco di Coulomb15, trasporto ambipolare16,17,18,19,20, 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, formazione della giunzione p-n e risultante electroluminance28,29,30, grande modulazione di poteri termoelettrico31,32, onda di densità di carica e Mott transizioni33,34,35, e indotta da elettrico-campo isolante-metallo di transizione36,37 compresi superconduttività elettrica-campo-induced9 ,10,11,38,39,40,41,42,43,44 ,45,46,47,48,49.

Nel gating di elettrolita (Figura 1C), gli ioni non vengono accumulati solo all'interfaccia per formare EDLT, ma possono anche essere intercalati in strati di materiali bidimensionale tramite diffusione termica senza dannoso campione nell'ambito di applicazione della tensione di grande cancello, che conduce l'elettrochimica doping8,9,11,34,38,50,51,52,53 . Così, possiamo cambiare drasticamente il numero di elemento portante rispetto al transistor di effetto di campo convenzionale utilizzando il cancello solido. In particolare, la superconduttività indotta da elettrico-campo9,11,34,38,50 è realizzato mediante uso di elettrolita gating nella regione di vettori di grandi dimensioni numero dove non possiamo accedere secondo il metodo convenzionale di gating solido.

In questo articolo, vi presentiamo questa tecnica unica di controllo del numero di elemento portante nei solidi e panoramica del funzionamento di transistor e superconduttività elettrica-campo-indotta in semiconduttori WS2 campioni come WS2 fiocchi e WS2 nanotubi54,55,56,57.

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Protocol

1. la dispersione di WS 2 nanotubi (NTs) su substrato

  1. Disperdere polveri2 NT WS in alcool isopropilico (IPA, concentrazione più del 99,8%) con rapporto adeguato diluito (circa 0,1 mg/mL) di sonicazione per 20 min.
    Nota: La sonicazione da sempre aiuta a rendere WS2 NTs giunche uniformemente sospesi in un liquido di IPA e separata ben formato singoli WS2 NTs da amorfo WS2 o altri, come pure per rimuovere la spazzatura accumulando sul WS2 NTs superficie. Figura 2b Mostra la sospensione definitiva della WS2 NTs. Poiché la sospensione potrebbe essere riscaldata durante il processo di sonicazione, è meglio smettere di sonicazione a ogni 5 min e continuare sonicazione dopo 1 min.
  2. Procedura di rivestimento per rotazione per disperdere WS2 NTs su substrato.
    1. Avviare la spin-Verniciatrice e pompa a vuoto. Mettere un Si/SiO2 (3000 Å) substrato (1 x 1 cm) al centro del mandrino e fissarlo mediante vuoto con pompaggio velocità di 80 L/min e una pressione finale di 20 kPa.
      Nota: C'è un foro situato al centro del mandrino di collegamento alla pompa del vuoto, così il substrato è fissato mediante pressione di vuoto (velocità di pompaggio è di 80 L/min e pressione finale è 20 kPa). La pressione di vuoto può essere diversa a seconda della pompa.
    2. Impostare i parametri rilevanti della procedura da pannello di controllo della macchina spin coater.
      Nota: Ci sono tre passaggi durante la procedura di rivestimento per rotazione: (1) lentamente velocità fino a 500 rpm entro i primi 3 s, (2) rapidamente velocità fino a 4000 rpm e proseguire per 50 s, (3) rallentamento e arresto di filatura per gli ultimi 3 s. Tali parametri possono essere diversi a seconda dell'uso di spin coater.
    3. Mettere una goccia (circa 0,01 mL) della sospensione di WS2 NT madein (1.1) mediante una pipetta sul substrato, fino a quando il substrato è completamente coperto dalla sospensione (se non, mettere più goccioline). Quindi inizio spin-coating con relativi parametri in (1.2.2).

2. preparazione del sottile fiocco su substrato tramite metodo scotch tape

  1. Mettere un campione di piccola massa di WS2 (cresciuta tramite metodo di trasporto del vapore chimico) su nastro scotch. Piegare il nastro scotch e dispiegare lentamente per meccanicamente esfoliare lo strato sottile dalla massa. Ripetere questa procedura per più volte, fino a quando i campioni esfoliati sono abbastanza sottili.
    Nota: Nella figura 2 g e h 2 mostrano il nastro iniziale con piccolo campione globale di WS2 e il nastro finale dopo le procedure multiple pieghevole, rispettivamente.
  2. Incollare il nastro adesivo sulla parte superiore del substrato upside-down, premere leggermente il nastro e rimuovere con attenzione il nastro dalla parte superiore del substrato.
    Nota: Dopo aver rimosso il nastro, ci sono molti fini fioccosità lasciato sul substrato.

3. fabbricazione di dispositivi di Litografia a fascio di elettroni.

  1. Processo di rivestimento per rotazione per coprire il resist per litografia a fascio di elettroni.
    1. Seguire la stessa procedura di rivestimento per rotazione descritta in (1.2.1) e (1.2.2).
    2. Mettere una goccia (circa 0,04 mL) di polimetilmetacrilato (PMMA) mediante una pipetta sul substrato fino a quando il substrato è completamente coperto da PMMA. Quindi avviare la procedura di rivestimento per rotazione per coprire uniformemente PMMA su WS2 esempio per impedire che esso venga esposto in aria.
      Nota: PMMA è uno della resiste per litografia a fascio di elettroni.
    3. Dopo il rivestimento per rotazione, mettere il substrato su piastra calda a 180 ° C e calore per 1 min.
      Nota: Tali parametri possono essere diversi a seconda dei tipi di resistere.
  2. Selezione del campione mediante microscopia ottica.
    1. Avviare la fotocamera e microscopia ottica. Mettere il substrato sul palco.
    2. Spostare il palco e scansione di tutta la regione del substrato con adeguato ingrandimento (X 20) e nel frattempo, selezionare campioni isolati con dimensioni adatte.
      Nota: In totale, da 6 a 10 isolati campioni possono essere solitamente selezionati per ogni substrato di 1 cm x 1 cm.
    3. Scattare foto di ogni campione selezionato con diverso ingrandimento di 5x e 20 X 100 X. Quelle foto sono utilizzate per identificare la posizione di ciascun campione.
  3. Progettazione del modello di dispositivo su larga scala.
    1. Attivare il software AutoCAD e caricare il formato della grata del substrato. Inserire foto scattate in (3.2) e identificare le dimensioni e la posizione di ogni foto secondo i segni sul substrato.
    2. Inserire una grande piazza con lunghezza di 1200 µm e una piccola piazza con lunghezza di 300 µm che dovrebbe circondare ogni campione.
    3. Modelli su larga scala di progettazione tra cui gate, source, scarico e altri rilievi nella grande piazza ad eccezione di strutture fini vicino a campione. Progettazione piccoli segni vicino al campione per identificare con precisione la posizione dei campioni nel processo successivo di design per il modello di dispositivo su piccola scala.
    4. Ripetere (3.3.2) (3.3.3) per ogni campione.
    5. Registrare le coordinate del centro di ogni quadrato di grande e piccoli, rispettivamente.
    6. Eliminare foto inserita, grandi e piccole piazze e substrato reticolo formato, lasciando solo i modelli di grandi dimensioni progettati e piccoli segni. Esportare modelli di grandi dimensioni e piccoli segni come file dxf, rispettivamente.
  4. Prima litografia a fascio di elettroni.
    1. Mettere il substrato sul palco e risolvere il problema e inserire la tappa nella camera principale della macchina di Litografia di fascio di elettroni.
    2. Attivare il programma ECA (un programma per la generazione di un file utilizzato nel processo di fascio di elettroni). Impostare dimensione campo come 300 per la litografia di piccoli segni. Utilizzare strumento di dxf converter per trasferire file dxf a file cell.
    3. Caricare il file di cella generato in (3.4.2), immettere il nome di file, identificano l'origine e identificare punti con coordinate di piccole piazze notate in (3.3.5). Infine, identificare le coordinate del grande A e B marchi e piccolo A e B segna per ogni punto.
      Nota: Il grande A e B i contrassegni sono utilizzati per correggere la direzione del palco, mentre piccolo A e B marchi vengono utilizzati per identificare la mancata corrispondenza tra il modello progettato e modelli stampati, durante il processo di design pattern su piccola scala.
    4. Salvare il file come file con e attendere che la pressione all'interno della camera principale è inferiore a 5 x 10-5 PA.
      Nota: Poiché è il fascio di elettroni ad alta energia (50 kV di tensione accelerare), l'alta qualità del vuoto è necessaria.
    5. Quando la pressione della camera principale diventa bassa abbastanza per il processo di Litografia di fascio elettronico, attivare il programma di controllo del fascio di elettroni ESL-7500 e successivamente attivare la pistola di elettrone.
    6. Accendere il microscopio elettronico a scansione (SEM) e spostare il palco alla posizione dove il substrato è nella schermata. Regolare la luminosità, il contrasto e la messa a fuoco.
    7. Regolare l'angolo del palco da a giudicare dalla posizione relativa di grandi dimensioni A e B marchi originariamente progettati sul substrato, fino a quando l'errore di direzione è trascurabile ad ingrandimento di 5000 X. Dopo aver corretto la direzione dello stage, registrare la posizione del grande un marchio.
    8. Impostare l'ampiezza del fascio di elettroni per la litografia; 100 pA è per la litografia di piccoli segni. Spostare il palco per la posizione per la sintonizzazione di ampiezza e selezionare la modalità spot per la fotocamera, modificare l'ampiezza del fascio di elettroni fino a raggiungere 100 pA di amperometro. Dopo aver impostato l'ampiezza del fascio di elettroni, regolare la luminosità, il contrasto e la messa a fuoco.
    9. Carica salvato con file in (3.4.4) nel programma di ECA. Impostare parametri rilevanti: 2 s per tempo dose e 300 per la dimensione del campo. Infine avviare il processo di esposizione.
      Nota: Tempo di Dose può essere diversa a seconda il resist.
    10. Torna al programma di controllo del fascio elettronico ESL-7500, impostare 5000 X di ingrandimento e spostare il palco alla posizione registrata del grande un marchio. Confermare la posizione di grandi dimensioni A e B marchi.
    11. 30000 X di ingrandimento di impostare e confermare la posizione del piccolo A e B segna per la litografia dei marchi piccoli primi progettato in (3.3.3).
      Nota: La litografia inizia dopo conforme piccolo segna e prende secondo diversi.
    12. Dopo aver terminato la litografia, ripetere questa procedura per tutti i campioni. All'ultimo, chiudere il processo di esposizione e chiudere il programma ECA.
    13. Seguire lo stesso processo da (3.4.2) a (3.4.10) con parametri diversi per la litografia del grande modello progettato in (3.3.3). In (3.4.2), impostare la dimensione del campo come 1200. In (3.4.3), solo identificare le coordinate di grandi dimensioni A e B segna tranne piccolo A e B marchi. In (3.4.8), è possibile impostare l'ampiezza del fascio di elettroni come 1000 pA per la litografia del modello grande. In (3.4.9), selezionare 1200 di dimensione campo.
      Nota: Dopo il processo di (3.4.10), la litografia del modello grande inizia e richiede diverse ore.
    14. Dopo aver terminato la litografia del grande modello, spostare il palco alla posizione originale, spegnere il fascio di elettroni e chiudere il processo di esposizione e il programma ECA. Aprire la camera principale e togliere il substrato.
  5. In primo luogo lo sviluppo.
    1. Fare una soluzione di Metil isobutil chetone (MIBK) e IPA con il rapporto di MIBK: IPA = 1:3. Immergere il substrato nella soluzione per 30 s e lavarlo dal liquido di IPA e asciugarlo dalla pistola di azoto.
      Nota: Tempo di sviluppo cambiano a seconda delle condizioni ambientali quali temperatura e umidità.
    2. Scattare foto di microscopia ottica per ogni modello stampato con differente ingrandimento di 5x e 20 X 100 X.
  6. Disegno del modello di dispositivo su piccola scala.
    1. Seguire lo stesso processo in (3.3). In (3.3.1), caricare il modello della grata del substrato includendo gli indicatori di piccoli progettati in (3.3.3) e inserire foto scattate dopo lo sviluppo di prima.
      Nota: Le dimensioni e la posizione di ogni foto dipende i piccoli segni progettati in (3.3.3), invece di segni sul substrato.
    2. Progettare la struttura fine del modello di dispositivo con origine, scarico e altri elettrodi in piccole piazze in una configurazione di bar Hall, che è collegato al grande motivo stampato. Dopo la progettazione di piccoli modelli per tutti i dispositivi, registrare le coordinate delle piccole piazze.
    3. Eliminare foto inserita, piccole piazze e modello di substrato, lasciando solo i piccoli modelli progettati. Esportare il modello piccolo come file dxf.
  7. Secondo Litografia a fascio di elettroni.
    1. Seguire lo stesso processo da (3.4.1) a (3.4.11) con gli stessi parametri per la litografia del piccolo modello progettato (3.6); impostare 300 per dimensioni del campo e selezionare 100 pA per l'ampiezza del fascio di elettroni.
      Nota: Il processo di Litografia richiede alcuni minuti per ogni piccolo modello.
    2. Dopo la litografia di piccolo modello, spostare il palco alla posizione originale, spegnere il fascio di elettroni, chiudere il processo di esposizione e chiudere il programma ECA. Aprire la camera principale e togliere il substrato.
  8. In secondo luogo lo sviluppo.
    1. Seguire lo stesso processo in (3,5) con lo stesso tempo in via di sviluppo come 30 s.
    2. Scattare foto di microscopia ottica per ogni modello con diverso ingrandimento di 5x e 20 X 100 X.

4. deposizione di elettrodi

  1. Deposizione di elettrodi d'oro.
    1. Difficoltà il substrato sul titolare del substrato, messo il titolare substrato sull'asta di trasferimento e inserirla nel vano principale dell'evaporatore. Comincia a ruotare il titolare di substrato.
    2. Sul primo deposito Cr di 5 nm di spessore come il livello di adesione. Quando la pressione all'interno della camera principale diventa meno di 10-4 Pa, accendere la sorgente di alta tensione.
    3. Aumentare la corrente di pistola di elettrone con cautela la tensione accelerare fissa di 4 kV, fino a quando il tasso che depositano misurato dal monitor di spessore diventa stabile circa 0,5 Å/s (solitamente pre-evaporare Cr di circa 5 nm).
    4. Aprire l'otturatore e depositare Cr fino a 5 nm di spessore. Chiudere l'otturatore, lentamente diminuire la corrente della pistola di elettrone a zero e spegnere la fonte di alta tensione.
    5. Successivamente depositare Au di opportuno spessore. Accendere la fonte di corrente e lentamente aumentare la corrente fino a 30 a. evaporare Au mantenendo la corrente di 30 A, fino a quando il tasso che depositano misurato dal monitor di spessore diventa stabile circa 1 Å/s (solitamente pre-evaporare Au di circa 10 nm).
    6. Aprire l'otturatore e iniziare a deposito Au. Dopo aver raggiunto lo spessore desiderato, chiudere l'otturatore, lentamente diminuire la corrente a zero e spegnere la fonte di corrente.
      Nota: Usiamo 60 nm per scaglie sottili e 90 nm per NT. Lo spessore appropriato a seconda del campione.
    7. Poiché il substrato viene riscaldato durante il processo di deposizione, rimangono il substrato all'interno della camera per 1 h al fine di raffreddare la temperatura vicino a temperatura ambiente. Fermare la rotazione titolare del substrato e portarlo fuori dall'asta di trasferimento.
  2. Deposizione di SiO2 strato di protezione.
    1. Con l'aiuto di microscopia ottica, coprire le pastiglie e gli elettrodi cancello dal nastro.
      Nota: In linea di principio, solo le strutture fini degli elettrodi sono esposti allo strato di deposito di SiO2 per la protezione degli elettrodi contro la reazione chimica durante il gating di elettrolita.
    2. Seguire lo stesso processo di (4.1.1) (4.1.4) per depositare il Cr di 5 nm di spessore come strato di adesione.
    3. Successivamente seguire lo stesso processo di (4.1.1) (4.1.4) per depositare il SiO2 di 20 nm di spessore.
      Nota: Il tasso che depositano di SiO2 è circa 1 Å/s, mentre pre-evaporazione SiO2 di circa 10 nm.
    4. Raffreddare il substrato all'interno della camera per 1 h. Stop rotazione titolare del substrato e portarlo fuori la verga di trasferimento. Rimuovere il nastro al microscopio.

5. completamento del dispositivo

  1. Incisione di substrato.
    1. Accendere la macchina di incisione e pompa a vuoto con velocità di pompaggio di 50 L/min e una pressione finale di 30 kPa. Difficoltà il substrato sul palco da chuck vuoto e regolare l'angolo e la posizione del substrato.
    2. Scriba del substrato in piccoli pezzi (solitamente circa 3 x 3 mm).
      Nota: La dimensione di ogni pezzo è a seconda della posizione di ogni campione selezionato e il modello progettato.
  2. Lift-off dispositivo.
    1. Selezionare un dispositivo e immergetelo in acetone (concentrazione oltre il 99,5%) per 1 h a temperatura ambiente per rimuovere il PMMA ridondanti e l'oro. Solo i fabbricato elettrodi vengono lasciati sul substrato.
    2. Dopo il processo di Lift-off, lavare il substrato di IPA e asciugare da pistola di azoto.
  3. Wire-bonding.
    1. Accendere la macchina di wire-bonding. Difficoltà il substrato su chip-trasportatore mediante nastro pasta.
      Nota: Per il caso di2 NT WS, usiamo orizzontale rotatore illustrato nella Figura 2n.
    2. Con l'aiuto della macchina di wire-bonding, collegare ogni pad elettrodo e l'elettrodo di vettore chip uno ad uno con un filo d'oro.
  4. Elettrolito gocciolina mettendo.
    1. Mettere una goccia di elettrolita (meno di 0,5 µ l) sulla parte superiore del dispositivo di una pinzetta dopo l'immersione nel liquido elettrolita.
      Nota: La quantità di elettroliti è molto poco; Esso copre la struttura fine del dispositivo e pad cancello ma evita che coprono gli elettrodi. Usiamo l'elettrolita di KClO4 (più del 99% di concentrazione) dissolto in polietilene glicole (spina; Mw = 600) con un [K]: rapporto [O] di 01:20 secondo la precedente pubblicazione38.

6. misure di trasporto

  1. Difficoltà il trasportatore di chip il supporto del campione e metterlo all'interno della camera del sistema di misura di proprietà fisiche, la verga di trasferimento. Pompa della camera dalla modalità di alto vuoto.
  2. Collegare il sistema di misura compresa amplificatori lock-in, nano-voltmetro, tester di sorgente e amplificatore. Applicare una costante corrente alternata (AC) con la frequenza di 13 Hz per eseguire le misurazioni AC-lock-in.
  3. Eseguire il programma Keysight VEE (programmi di misurazione).
  4. Nella misurazione della risposta del cancello, quando la tensione di gate è applicata all'elettrolita (cioè., tra origine e porta elettrodi), spazzare la tensione di gate con velocità di 50 mV/s a 300 K, in condizioni di alto vuoto per ridurre l'influenza dell'aria sul gating delle prestazioni.
  5. Nella misura della dipendenza di temperatura di resistenza, dapprima raffreddare fino a 200 K con il tasso di raffreddamento di 1 K/min in condizioni di alto vuoto e poi cambiare per la condizione di He-eliminato l'inceppo e mantenere il raffreddamento fino a 10 K con il tasso di raffreddamento di 1 K/min. Quando la temperatura è inferiore a 10K, raffreddare e scaldare con il tasso di 0,2 K/min.
    Nota: Nella condizione di He-eliminato l'inceppo, conduttanza termica e la temperatura risultante stabilità è migliore di quelle in condizioni di alto vuoto.

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Representative Results

Le operazioni di transistor tipico di un singolo WS2 NT e un dispositivi di fiocco2 WS sono mostrate in Figura 3a e 3b, rispettivamente, dove la fonte corrente (hoDS) del drenaggio in funzione della tensione di gate (V G) ben opera in una modalità ambipolare, mostrando un notevole contrasto con la risposta di cancello unipolare di FET gated solido convenzionale nella precedente pubblicazione58. Considerando che il comportamento ambipolare è reversibile e ripetibile, queste operazioni di transistor sono probabilmente dovuto la verniciatura elettrostatica. Nella verniciatura elettrostatica, gli ioni vengono accumulati sulla superficie dei campioni, che conduce al grande elettrico potenziale goccia e conseguente vettore doping all'interfaccia (Figura 1b).

Elettrochimico antidoping per l'intercalazione (Figura 1C), d'altra parte, è realizzato nella regione di tensione del grande cancello, causando molto più alta concentrazione di elettroni nella maggior parte del campione, anziché sulla superficie del campione di verniciatura elettrostatica. Un processo di intercalazione tipico è mostrato nella Figura 3 c. Quando la tensione di gate in primo luogo è aumentata fino a 8 V con una frequenza costante di 50 mV/s, hoDS Visualizza un comportamento di saturazione che indica la verniciatura elettrostatica, similmente al caso2 WS 2D come mostrato nella Figura 3b. Quando la tensione di gate è tenuta a 8 V per un paio di minuti, un altro aumento drastico dei hoDS da più di due ordini di grandezza è stata osservata come mostrato in Figura 3 c. Questo aumento corrente di scarico di origine presumibilmente è attribuito a intercalazione di ioni K+ disinnescare in strati di2 WS senza danneggiare la struttura di cristallo. Questo processo causa molto più alta concentrazione in elemento portante all'ingrosso rispetto con la verniciatura elettrostatica alla superficie.

Come mostrato in figura 3d, il processo di intercalazione simile è realizzato anche in WS2 fiocco. Quando la tensione di gate in primo luogo è aumentata fino a 6 V, hoDS Visualizza un simile comportamento di saturazione. D'altra parte, densità dell'elemento portante stimata dall'effetto Hall non sono cambiato significativamente, visualizzando il comportamento simile di saturazione. Quando la tensione di gate diventa superiore a 6 V, hoDS aumenta nuovamente a causa dell'avvenimento di intercalazione che è a prova di netto aumento della densità del vettore.

Dipendenze di temperatura della resistenza di WS2 NTs e fiocchi dopo il doping elettrochimica sono mostrati nella Figura 3e e 3f, rispettivamente. In entrambi i casi, la resistenza viene illustrato il comportamento metallico e superconduttività appare nella regione di bassa temperatura.

Figure 1
Figura 1 : Illustrazione di elettrolita gating. (a) la figura schematica del transistor a effetto di campo convenzionale da cancello solido. (b) la figura schematica del doping elettrostatica di elettrolita gating. Da prendere il intermedium dielettrico solido in elettrolito di immissione, l'effetto anti-doping elettrostatico è più efficiente poiché la costante dielettrica del liquido è molto più solido. Un gran numero di vettori è accumulato sulla superficie del campione. (c) la figura schematica del doping elettrochimico di intercalazione dell'elettrolito-gating-indotta. Gli ioni positivi sono intercalati nel campione, inducendo molto più vettori nel bulk. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 : Fabbricazione di dispositivi di WS2 nanotubo e fiocco. (a) e (b) WS2 NT, che era la prima configurazione di polvere, si disperdono nel liquido di IPA. (c) la fotografia di un individuale WS2 NT selezionato mediante microscopia ottica dopo dispersione di WS2 NT sul substrato e coperto di PMMA. (d) la figura schematica del modello progettato per WS2 NT da AutoCAD. (e) la fotografia del modello dispositivo di un individuale WS2 NT dopo litografie a fascio elettronico e processo di sviluppo. (f) la fotografia del dispositivo di un individuale WS2 NT dopo la deposizione di elettrodi. (g) e (h) la fotografia di campioni di WS2 alla rinfusa su un nastro e la fotografia di campioni di2 WS esfoliati dopo piegare e spiegare il nastro più volte. (i) la fotografia di un fiocco di2 WS selezionato mediante microscopia ottica dopo il trasferimento sul substrato e coperto di PMMA. fiocco (j) la figura schematica del modello progettato per un WS2 di AutoCAD. (k) la fotografia del modello dispositivo di un fiocco di2 WS dopo electron beam Litografia processo e processo di sviluppo. fiocco (l) la fotografia del dispositivo di un WS2 dopo la deposizione di elettrodi. (m) la fotografia di un dispositivo isolato dopo incisione processo e processo di Lift-off. Il modello di dispositivo tipico del dispositivo per elettrolita gating è indicato. Oltre a elettrodi per misure di trasporto, un cancello laterale è stato posizionato vicino il campione. (n) la fotografia del dispositivo sul rotatore orizzontale dopo processo di wire-bonding. (o) la fotografia del dispositivo dopo processo di wire-bonding. (p) la fotografia del dispositivo per elettrolita gating con una gocciolina di liquido ionico sulla parte superiore che copre sia campione che gli elettrodi del cancello laterale. (q) la fotografia dei sistemi di misurazione tipici (PC e sistema di misura di proprietà fisiche). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 : Operazione transistor, elettrochimica intercalazione e superconduttività elettrico-campo-indotta in dispositivo di nanotubi e fiocco WS2. (a) la curva di trasferimento ambipolare WS2 NT a 300 K. fonte-scarico tensione VDS è 0,2 mV e velocità di spazzata della tensione di gate VG è 50 mV/s. (b) la curva di trasferimento ambipolare di WS2 fiocco a 300 K. V DS è 0.1 V e 20 mV/s. (c) fonte-scarico attuale hoDS spazzare velocità della tensione di gate è in funzione della VG e tempi di attesa durante l'intercalazione elettrochimico in WS2 NT. Un comportamento di saturazione dei hoDS è stato osservato quando aumentando drammaticamente VGe un secondo aumento dei hoDS è stato osservato a fisso VG durante attesa paio di minuti. (d) hoDS a 300 K (a sinistra) e densità dell'elemento portante stimato di effetto Hall a 200 K (a destra) come una funzione di VG in WS2 fiocco. Saturazione e secondo aumento di IDS è stato osservato anche in fiocco. La densità dell'elemento portante Mostra l'aumento grande nella grande regione diG V, che indica il processo di intercalazione. (e) dipendenza di temperatura di resistenza di WS2 NT dopo processo di intercalazione. Superconduttori di transizione è stato osservato a 5,8 dipendenza di K. (f) temperatura di resistenza di WS2 fiocco dopo processo di intercalazione. Superconduttori di transizione è stato osservato a 8 K. Tutte le figure sono stati riprodotte e modificate da Qin, F. et al. e Shi, w. et al. 38 , 50 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

In WS2 NTs e fiocchi, abbiamo controllato con successo le proprietà elettriche di elettrostatica o electro chemical carrier doping.

Nella regione di doping elettrostatica, operazione ambipolare transistor è stato osservato. Tale curva di trasferimento ambipolare con un alto rapporto di accensione e spegnimento del rilevatore (> 102) osservati in Bassa polarizzazione di tensione indica il vettore efficace il doping a livello di interfaccia di tecnica gating elettrolito per l'ottimizzazione del livello di Fermi di questi sistemi.

Anche se questo metodo è come vantaggiosa per la sintonizzazione di grandi quantità di numero di vettore a bias piccolo cancello confrontato con il metodo convenzionale di gating solido, ci sono diverse limitazioni di questa tecnica. In primo luogo, perché il controllo del numero di elemento portante è realizzato tramite cancello liquido, non è in grado di ottimizzare il numero di elemento portante sotto la temperatura congelata di elettrolita/ionico liquido12,28,29,30. Cancello solido convenzionale, d'altra parte, è valida per temperature anche minime, anche se non è efficiente come cancello liquido elettrolita/ionico ad alta temperatura (vicino a temperatura ambiente). In secondo luogo, molti materiali sono noti per mostrare la reazione chimica con elettrolita/ionico liquido in condizioni specifiche59,60,61,62,63. Tale reazione chimica facilmente rompe i dispositivi e limita il rapporto di successo di esperimenti o applicazione ai materiali.

Tuttavia, persone hanno recentemente riconosciuto che la reazione chimica potrebbe aiutare per la futura applicazione, ad esempio etching chimico per il diradamento dei film59,60 e intercalazione elettrochimico per fortemente elettrone doping9 ,11,34,38,50,51,52,53 e fase di trasformazione61,62 ,63. Una tecnica simile è stato anche adattata per ioni solido conduttore51,52,53 e persino fotoattivi EDLT è stato sviluppato64.

Nella regione doping elettrochimica, abbiamo osservato la superconduttività elettrica-campo-indotta. La differenza della temperatura di transizione superconduttiva tra WS2 NTs e fiocchi, che è possibilmente dovuto la bassa dimensionalità di NTs, dovrebbe essere ulteriormente perseguita in futuro.

Come chiaramente dimostrato nei risultati di questo studio, controllo del numero di elemento portante dal gating liquido ionico fornisce un metodo potente per la ricerca la transizione di fase quantistica a nanomateriali.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgements

Riconosciamo che il supporto per l'esercizio successivo; Sovvenzione per promosso specialmente ricerca (No. 25000003) da JSPS, sovvenzione per ricercare attività start-up (No.15H06133) e impegnativa ricerca (sperimentale) (No. JP17K18748) da MEXT del Giappone.

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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