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

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

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

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

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

Introduction

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

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

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

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

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. de verspreiding van WS 2 Nanotubes (NTs) op substraat

  1. Dispergeren WS2 NT poeders in isopropylalcohol (IPA, concentratie meer dan 99,8%) met juiste verdunde verhouding (ongeveer 0,1 mg/mL) met het ultrasoonapparaat voor 20 min.
    Opmerking: De lange tijd ultrasoonapparaat helpt om WS2 NTs uniform geschorst in IPA vloeistof en aparte welgevormde individuele WS2 NTs van amorfe WS2 of andere troep, evenals voor het verwijderen van het afval accumulatie op WS2 NTs oppervlak. Figuur 2b toont de definitieve opschorting van WS2 NTs. Aangezien de schorsing kan worden opgewarmd tijdens het ultrasoonapparaat, is het beter te stoppen ultrasoonapparaat op elke 5 min en blijven ultrasoonapparaat na 1 min.
  2. Spin-coating procedure te verspreiden WS2 NTs op substraat.
    1. Beginnen met de spin-coater machine en vacuümpomp. Zet een Si/SiO2 (3000 Å) substraat (1 x 1 cm) op het midden van de chuck en positiebepaling door vacuüm met pompen maximumsnelheid van 80 L/min en uiteindelijke druk van 20 kPa.
      Opmerking: Er is een gaatje in het midden van de chuck verbinden met de vacuümpomp, dus het substraat wordt vastgesteld door vacuüm druk (snelheid pompen is 80 L/min en ultieme druk 20 kPa). De vacuüm druk kunnen verschillen naargelang de pomp.
    2. Stel relevante parameters van de procedure door het bedieningspaneel van de spin-coater machine.
      Opmerking: Er zijn drie stappen tijdens de procedure van de spin-coating: (1) langzaam snelheid tot 500 rpm binnen de eerste 3 s, (2) snel versnellen tot 4000 rpm en blijven voor 50 s, (3) vertragen en stoppen spinnen voor de laatste 3 s. Deze parameters kunnen verschillen naargelang het gebruik van spin-coater.
    3. Zet één druppel (ongeveer 0,01 mL) van de ophanging van WS2 NT in (1.1) gemaakt door een pipet op het substraat, totdat het substraat volledig door de asophanging gedekt is (zo niet, zet meer druppels). Vervolgens start spin-coating met relevante parameters in (1.2.2).

2. voorbereiding voor dunne flake op substraat via plakband methode

  1. Een kleine laboratoriummonster van WS2 (gegroeid via chemische damp transportmethode) gezet met plakband. Vouw de plakband en ontvouwen om langzaam te mechanisch exfoliëren de dunne laag van de bulk. Herhaal deze procedure meerdere malen, totdat de afgebladderde monsters dun genoeg zijn.
    Opmerking: Figuur 2 g en 2 h tonen de oorspronkelijke cassette met weinig laboratoriummonster van WS2 en de laatste tape na meerdere opvouwbare procedures, respectievelijk.
  2. Plak de scotch tape op de bovenkant van substraat ondersteboven, iets druk op de tape en verwijder voorzichtig de band vanaf de bovenkant van het substraat.
    Opmerking: Na het verwijderen van de tape, er zijn vele dunne schilfers liet op het substraat.

3. apparaat fabricage door electron beam lithography.

  1. Spin-coatingproces ter dekking van de weerstaan voor electron beam lithography.
    1. Volg dezelfde procedure spin-coating beschreven in (punt 1.2.1) en (1.2.2).
    2. Zet één druppel (ongeveer 0,04 mL) van polymethylmethacrylaat (PMMA) door een pipet op het substraat totdat het substraat volledig door PMMA gedekt is. Start spin-coating procedure ter dekking van uniform PMMA op WS2 monster om te voorkomen dat het in de lucht wordt blootgesteld.
      Opmerking: PMMA behoort tot de weerstaat voor electron beam lithography.
    3. Na spin-coating, zet het substraat op hot-plaat bij 180 ° C en warmte het voor 1 min.
      Opmerking: Deze parameters kunnen verschillen afhankelijk van de typen weerstaan.
  2. Steekproef door optische microscopie.
    1. Start de optische microscopie en camera. Het substraat in het werkgebied plaatsen
    2. Fase verplaatsen en scannen van de hele regio van het substraat met de juiste vergroting (20 X) en in de tussentijd, selecteer geïsoleerde monsters met een geschikte grootte.
      Opmerking: In totaal 6 tot en met 10 afzonderlijke monsters kunnen worden meestal geselecteerd voor elke substraat van 1 x 1 cm.
    3. Neem foto's van elke geselecteerde steekproef met verschillende vergroting van 5 X 20 X en 100 X. Die foto's worden gebruikt voor het identificeren van de locatie van elk monster.
  3. Ontwerp van de grootschalige apparaat patroon.
    1. Activeren van de software van AutoCAD, en laden van de indeling van substraat lattice. Plaats foto's genomen in (3.2) en identificeren van de grootte en de locatie van elke foto afhankelijk van de merken op de drager vervagen.
    2. Een groot plein met een lengte van 1200 µm en een klein plein met lengte van 300 µm die elk monster moet omringen invoegen.
    3. Grootschalige ontwerppatronen met inbegrip van poort, bron, afvoer en andere pads op het grote plein met uitzondering van fijne structuren in de buurt van het monster. Ontwerp van kleine merken dicht bij het monster, tot het precies identificeren van de locatie van de monsters in de latere proces van ontwerp voor de kleinschalige apparaat patroon.
    4. Herhaal deze stappen (3.3.2) aan (3.3.3) voor elk monster.
    5. Neem de coördinaten van het middelpunt van elke grote en kleine plein, respectievelijk.
    6. Ingevoegde foto's, grote en kleine pleinen en substraat lattice formaat, waardoor alleen de ontworpen patronen van grote en kleine merken te verwijderen. Grote patronen en kleine merken als exporteren dxf-bestanden, respectievelijk.
  4. Eerste electron beam litho.
    1. Zet het substraat in het werkgebied en repareren en invoegen van het werkgebied in de belangrijkste kamer van electron beam lithografie machine.
    2. Activeren ECA programma (een programma voor het genereren van een bestand dat wordt gebruikt in electron beam proces). Veldlengte instellen als 300 voor de lithografie van kleine merken. Hulpprogramma voor dxf converter gebruiken om het dxf-bestand overbrengen naar cel bestand.
    3. Laad het bestand van de cel gegenereerd in (3.4.2), geef de bestandsnaam, oorsprong en identificeren van punten met de coördinaten van kleine vierkantjes in (3.3.5) genoteerd. Tot slot, het identificeren van de coördinaten van grote A en B merken en kleine A en B merken voor elk punt.
      Opmerking: De grote A- en B-merken worden gebruikt om te corrigeren van de richting van etappe, terwijl kleine A en B merken worden gebruikt als aanduiding van de wanverhouding tussen ontworpen patroon en gedrukte patroon, tijdens het proces van kleinschalige patroon ontwerp.
    4. Sla het bestand op als con bestand en wacht totdat de druk in de belangrijkste kamer lager dan 5 x 10-5 Pa. is
      Opmerking: Omdat de elektronenbundel hoge energie is (50 kV van versnellende spanning), de hoge kwaliteit van vacuüm nodig is.
    5. Wanneer de druk van de belangrijkste kamer wordt laag genoeg voor het proces van de electron beam lithografie, electron beam controleprogramma ESL-7500 activeren en vervolgens inschakelen de Elektronenkanonnen.
    6. Zet de scannende elektronen microscoop (SEM) en het werkgebied verplaatsen naar de positie waar het substraat in het scherm. Tune de helderheid, contrast en focus.
    7. Aanpassen van de hoek van de fase door te oordelen naar de relatieve positie van de grote A en B merken oorspronkelijk ontworpen op de drager vervagen, totdat de fout van richting te verwaarlozen bij vergroting van 5000 X is. Na correctie van de richting van de etappe, registreren de positie van de grote een merk.
    8. Instellen van de amplitude van de elektronenbundel voor litho; 100 pA is voor kleine merken lithografie. Het werkgebied verplaatsen naar de positie voor het afstemmen van de amplitude en de plek kiezen voor de camera, de amplitude van de elektronenbundel wijzigen totdat het 100 pA van ampère meter bereikt. Tune na het instellen van de amplitude van de elektronenbundel, de helderheid, contrast en focus.
    9. Load opgeslagen con bestand in (3.4.4) in het programma van de Europese Rekenkamer. Relevante parameters instellen: 2 s voor dosis tijd en 300 voor Veldlengte. Eindelijk beginnen met het proces van de blootstelling.
      Opmerking: Dosis tijd kunnen verschillen naargelang de weerstaan.
    10. Terug naar electron beam control program ESL-7500, 5000 X vergrotingsfactor instellen en het werkgebied verplaatsen naar de geregistreerde positie van de grote een merk. Bevestigen van de positie van de grote A en B merken.
    11. 30000 X vergrotingsfactor instellen en bevestigen de positie van kleine A en B markeert voor de steendruk van de eerste kleine merken ontworpen in (3.3.3).
      Opmerking: De litho begint na conforme klein markeert en enkele seconde duurt.
    12. Na het beëindigen van de lithografie, herhaal deze procedure voor alle monsters. Tijdens de laatste, stoppen met het proces van de blootstelling en sluit het ECA-programma.
    13. Volg het hetzelfde proces van (3.4.2) tot (3.4.10) en de verschillende parameters voor de lithografie van het grote patroon ontworpen in (3.3.3). In (3.4.2), stelt u de veldlengte als 1200. In (3.4.3), alleen de coördinaten van de grote A en B geïdentificeerd markeert met uitzondering van kleine A en B merken. In (3.4.8), stelt u de amplitude van de elektronenbundel als 1000 pA voor de lithografie van het grote patroon. Selecteer in (3.4.9), 1200 van Veldlengte.
      Opmerking: Na het proces van (3.4.10), de lithografie van het grote patroon begint en duurt enkele uren.
    14. Na het beëindigen van de lithografie van de grote patroon, het werkgebied verplaatsen naar de oorspronkelijke positie, uitschakelen van de elektronenbundel, en stoppen met het proces van de blootstelling en de ECA-programma. De belangrijkste kamer open en haal het substraat.
  5. Eerst ontwikkelen.
    1. Maak een oplossing van methyl isobutyl keton (MIBK) en IPA met de verhouding van de MIBK: IPA = 1:3. Dompel het substraat in de oplossing voor 30 s, en het door IPA vloeistof wassen en droog het door stikstof pistool.
      Noot: Ontwikkeling van de tijd kan veranderen afhankelijk van de omgevingsfactoren als temperatuur en vochtigheid.
    2. Fotograferen door optische microscopie voor elke afgedrukte patroon met verschillende vergroting van 5 X 20 X en 100 X.
  6. Ontwerp van kleinschalige apparaat patroon.
    1. Volgen dezelfde procedure in (3.3). In (3.3.1), het patroon van substraat lattice met inbegrip van de ontworpen kleine merken in (3.3.3) laden en voeg foto's genomen na het ontwikkelen van de eerste.
      Opmerking: De grootte en de locatie van elke foto hangt af van de kleine merken ontworpen in (3.3.3), in plaats van merken op het substraat.
    2. De fijne structuur van apparaat patroon met bron-, afvoer- en andere elektroden in kleine vierkantjes in een Hall bar configuratie, die is aangesloten op het afgedrukte grote patroon ontwerpen. Na het ontwerpen van kleine patronen voor alle apparaten, nemen de coördinaten van kleine vierkantjes.
    3. Ingevoegde foto's, kleine vierkantjes en substraat patroon, waardoor alleen de ontworpen kleine patronen verwijderen. De kleine patroon als dxf-bestand exporteren.
  7. Tweede electron beam litho.
    1. Volg het hetzelfde proces van (3.4.1) tot (3.4.11) met dezelfde parameters voor de lithografie van het kleine patroon ontworpen in (3.6); Stel van 300 voor Veldlengte en selecteer 100 pA voor de amplitude van de elektronenbundel.
      Opmerking: De litho proces duurt enkele minuten voor elk klein patroon.
    2. Na de litho klein patroon, het werkgebied verplaatsen naar de oorspronkelijke positie, uitschakelen van de elektronenbundel, stoppen met het proces van de blootstelling en sluit het ECA-programma. De belangrijkste kamer open en haal het substraat.
  8. Tweede ontwikkelen.
    1. Volgen dezelfde procedure in (3.5) met ontwikkelingslanden tegelijkertijd als 30 s.
    2. Fotograferen door optische microscopie voor elk patroon met verschillende vergroting van 5 X 20 X en 100 X.

4. de afzetting van elektroden

  1. Afzetting van gouden elektrodes.
    1. Fix het substraat op substraat houder, het substraat houder zetten overdracht staaf en plaatst u deze in de belangrijkste kamer van de verdamper. Beginnen met het draaien van de houder van het substraat.
    2. Eerste storting Cr van 5 nm in dikte als de hechting laag. Wanneer de druk in de belangrijkste kamer minder dan 10-4 Pa wordt, zet de hoge spanningsbron.
    3. Verhogen van de stroom van Elektronenkanonnen zorgvuldig met de vaste versnellende spanning van 4 kV, tot de neerlegging tarief gemeten door dikte monitor stabiel ongeveer 0.5 Å/s wordt (meestal vooraf verdampen Cr van ongeveer 5 nm).
    4. Open de sluiter en Cr deponeren totdat zij 5 tot nm in dikte. Sluit de sluiter, langzaam verminderen van de stroom van Elektronenkanonnen op nul en uitschakelen van de bron van de hoogspanning.
    5. Vervolgens stort Au van de juiste dikte. Schakel de stroombron en Verhoog langzaam de huidige tot 30 A. Evaporate Au doordat de huidige 30 A, tot de neerlegging tarief gemeten door dikte monitor stabiel ongeveer 1 Å/s wordt (meestal vooraf verdampen Au van ongeveer 10 nm).
    6. Open de sluiter en beginnen met het storten van Au. Na het bereiken van de beoogde dikte, sluit de sluiter, langzaam dalen van de huidige op nul, en uitschakelen van de huidige bron.
      Opmerking: We gebruiken 60 nm voor dunne flake en 90 nm voor NT. De juiste dikte is afhankelijk van het monster.
    7. Aangezien het substraat is opgewarmd tijdens depositie, blijven het substraat binnen de kamer voor 1 h om de temperatuur in de buurt van kamertemperatuur afkoelen. Stop draaien de substraat-houder en neem het uit door overdracht rod.
  2. Depositie van SiO2 bescherming laag.
    1. Met behulp van optische microscopie, betrekking op de pads en de elektroden van de poort door tape.
      Opmerking: In principe alleen de fijne structuren van elektroden worden blootgesteld aan storting SiO2 laag voor de bescherming van de elektroden tegen de chemische reactie tijdens de elektrolyt gating.
    2. Volg hetzelfde proces van (4.1.1) naar (4.1.4) om te storten Cr van 5 nm in dikte als hechting laag.
    3. Daarna volgen hetzelfde proces van (4.1.1) tot (4.1.4) om te storten SiO2 van 20 nm in dikte.
      Opmerking: De nederlegging van SiO2 bedraagt ongeveer 1 Å/s, terwijl vooraf verdampende SiO2 van ongeveer 10 nm.
    4. Afkoelen van het substraat binnen de kamer voor 1 h. Stop draaien de substraat-houder en neem het uit door de staaf van de overdracht. Verwijder de tape onder microscopie.

5. de voltooiing van het apparaat

  1. Substraat inkerven.
    1. Zet de scribing machine en vacuümpomp met pompen snelheid van 50 L/min en uiteindelijke druk van 30 kPa. Los van het substraat in het werkgebied door vacuüm chuck en aanpassen van de hoek en positie van het substraat.
    2. Schrijver van het substraat in kleine stukjes (meestal ongeveer 3 x 3 mm).
      Opmerking: De grootte van elk stuk is afhankelijk van de locatie van elk geselecteerde monster en de ontworpen patroon.
  2. Apparaat de astronauten.
    1. Selecteer een apparaat en dompel het in aceton (concentratie meer dan 99,5%) gedurende 1 uur bij kamertemperatuur te verwijderen van de overbodige PMMA en goud. Alleen de verzonnen elektroden zijn links op substraat.
    2. Na het proces van de astronauten, het substraat door IPA wassen en droog het door stikstof pistool.
  3. Draad-bonding.
    1. Inschakelen van de machine van de draad-bonding. Fix het substraat op de chip-carrier via Splinter plakken.
      Opmerking: Voor WS2 NT geval gebruiken we horizontale rotator weergegeven in figuur 2n.
    2. Met de hulp van draad-bonding machine, sluit elke elektrode pad en elektrode van chip vervoerder, één voor één met een gouden draad.
  4. Elektrolyt druppel zetten.
    1. Zet een droplet elektrolyt (minder dan 0,5 µL) op de bovenkant apparaat door een pincetten na dompelen in de elektrolyt vloeistof.
      Opmerking: De hoeveelheid elektrolyt is weinig; Het omvat de fijne structuur van apparaat en poort pad maar vermijdt die betrekking hebben op de elektrode-pads. We gebruiken de elektrolyt van KClO4 (concentratie meer dan 99%) opgelost in polyethyleenglycol (PEG; Mw = 600) met een [K]: [O] verhouding van 1:20 volgens de vorige publicatie38.

6. vervoer metingen

  1. Fix het chip-carrier op de monsterhouder, en zet het in de kamer van fysische eigenschappen meetsysteem door de staaf van de overdracht. Pomp de kamer door de hoog vacuüm modus.
  2. Sluit meetsysteem met inbegrip van lock-in versterkers, nano-voltmeter, bron meter en versterker. Een constante wisselstroom (AC) van de toepassing met de frequentie van 13 Hz AC-lock-in de metingen uit te voeren.
  3. Voer het programma Keysight VEE (meting programma's).
  4. Bij de meting van de gate reactie, wanneer de spanning van de poort wordt toegepast op de elektrolyt (dwz., tussen bron en poort elektroden), het vegen van de spanning van de poort met snelheid van 50 mV/s bij 300 K, onder voorwaarde van de hoog-vacuüm om de invloed van de lucht op de gating prestaties.
  5. Bij de meting van de temperatuursafhankelijkheid van de weerstand, eerst afkoelen tot 200 K met de koeling tarief voor 1 K/min in hoog-vacuüm voorwaarde, dan omzetten in de hij-gezuiverd voorwaarde en houden het koelen snelheid van 1 K/min tot 10 K koelen. Wanneer de temperatuur lager dan 10 K is, afkoelen en opwarmen met het tarief van 0,2 K/min.
    Opmerking: In de hij-gezuiverd voorwaarde, de thermische geleidbaarheid en de resulterende temperatuur stabiliteit is beter dan die in hoog-vacuüm staat.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De typische transistor operaties van een individuele WS2 NT en een WS2 vlok-apparaten worden weergegeven in Figuur 3a en 3b, respectievelijk, waar de bron drain stroom (ikDS) als een functie van de spanning van de poort (V G) mooi is actief in een ambipolar-modus, een opmerkelijk contrast met de reactie van de unipolaire poort van de conventionele solide gated FET in eerdere publicatie58tonen. Gezien dat het ambipolar gedrag is omkeerbaar en herhaalbare, zijn deze transistor operaties waarschijnlijk te wijten aan de elektrostatische doping. In de elektrostatische doping, worden ionen verzameld op het oppervlak van de monsters, die leidt tot de grote elektrische potentiële drop en resulterende vervoerder doping in de interface (Figuur 1b).

Elektrochemische doping door de bekomt (Figuur 1 c), aan de andere kant, is gerealiseerd in grote poort spanning regio, waardoor er veel hogere concentratie van het elektron in het grootste deel van het monster, in plaats van op het oppervlak van het monster door elektrostatische doping. Een typische bekomt proces wordt weergegeven in de Figuur 3 c. Wanneer de spanning van de poort wordt ten eerste verhoogd tot 8 V met een constante snelheid van 50 mV/s, geeft ikDS een verzadiging gedrag die aangeeft het elektrostatische doping, ook op de 2D WS2 zaak zoals afgebeeld in Figuur 3b. Wanneer de spanning van de poort wordt gehouden op 8 V voor een paar minuten, een andere drastische verhoging van ikDS door meer dan twee ordes van grootte geconstateerd zoals aangegeven in Figuur 3 c. Deze bron afvoer huidige toename is vermoedelijk toegeschreven aan bekomt van K+ -ionen onschadelijk maken in WS2 lagen zonder beschadiging van de kristalstructuur. Dit proces veroorzaakt veel hogere concentratie van de vervoerder in het grootste deel in vergelijking met de elektrostatische doping op het oppervlak.

Zoals blijkt uit figuur 3d, besefte de soortgelijk bekomt proces is ook in WS2 vlok. Wanneer de spanning van de poort wordt ten eerste verhoogd tot 6 V, weergegeven ikDS een soortgelijk gedrag van verzadiging. Aan de andere kant, verandert vervoerder dichtheid geschat door Hall-effect aanzienlijk niet, weer te geven van het soortgelijk gedrag van verzadiging. Wanneer wordt de poort spanning hoger dan 6 V, ikDS verhogingen weer vanwege de aanwezigheid van bekomt die ondoorlaatbaar is door de duidelijke toename van de dichtheid van de vervoerder.

Temperatuur verslaafdheden van de weerstand van WS2 NTs en vlokken na elektrochemische doping worden weergegeven in de figuur 3e en 3f, respectievelijk. In beide gevallen, de weerstand ziet u de metalen werking en supergeleiding verschijnt in lage temperatuur regio.

Figure 1
Figuur 1 : Illustratie van het elektrolyt gating. (a) de schematische afbeelding van conventionele veld effect transistor door solide poort. (b) de schematische afbeelding van elektrostatische doping door het elektrolyt gating. Door nemen de solide diëlektrische intermedium in elektrolyt te plaatsen, is het elektrostatische doping effect efficiënter omdat de diëlektrische constante vloeistof veel groter dan solide is. Een groot aantal luchtvaartmaatschappijen worden verzameld op het oppervlak van de steekproef. (c) de schematische afbeelding van elektrochemische doping door elektrolyt gating-geïnduceerde bekomt. De positieve ionen zijn tussenliggende in monster, veel meer vervoerders in de bulk-inducerende. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2 : Apparaat fabricage van WS2 nanobuis en flake. (a) en (b) WS2 NT, die eerste poeder configuratie was, zijn verspreid in de IPA vloeistof. (c) de foto van een individuele WS2 NT geselecteerd door optische microscopie na dispersie van WS2 NT op het substraat en vallende PMMA. (d) de schematische afbeelding van het ontworpen patroon voor WS2 NT van AutoCAD. (e) de foto van het apparaat-patroon van een afzonderlijke WS2 NT na electron beam lithografie en ontwikkeling proces. (f) de foto van het apparaat voor een individuele WS2 NT na afzetting van elektroden. (g) en (h) de foto van WS2 laboratoriummonsters op een tape, en de foto van geëxpandeerd WS2 monsters na vouwen en ontvouwen band meerdere malen. (i) de foto van een WS2 vlok geselecteerd door optische microscopie na het overbrengen van het op de ondergrond en vallende PMMA. (j) de schematische afbeelding van het ontworpen patroon voor een WS2 vlok door AutoCAD. (k) de foto van het apparaat-patroon voor een WS2 flake na electron beam lithografie en ontwikkeling proces. (l) de foto van het apparaat voor een WS2 vlok na afzetting van elektroden. (m) de foto van een geïsoleerde apparaat na inkerven proces en het proces van de astronauten. Het patroon van de typische apparaat van het apparaat voor het elektrolyt gating wordt weergegeven. Naast vervoer metingen-meet-elektroden, was een kant-gate gepositioneerd in de buurt van het monster. (n) de foto van het apparaat op de horizontale rotator na draad-bonding proces. (o) de foto van het apparaat na draad-bonding proces. (p) de foto van het apparaat voor het elektrolyt gating met een druppel van Ionische vloeistof op de bovenkant die betrekking hebben op zowel monster en de elektroden van de poort van de kant. (q) de foto van typische meetsystemen (PC en fysieke eigenschappen meetsysteem). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3 : Transistor werking, elektrochemische bekomt en elektrische-veld-geïnduceerde supergeleiding in WS2 nanobuis en flake apparaat. (a) de ambipolar overdracht curve van WS2 NT bij 300 K. bron-afvoer spanning VDS is 0,2 mV en ingrijpende snelheid van gate spanning VG is 50 mV/s. (b) de ambipolar overdracht curve voor WS2 flake op 300 K. V DS is 0,1 V en vegen van de snelheid van de poort spanning 20 mV/s. (c) bron-afvoer huidige ikDS als functie van V-G en de wachttijd tijdens de elektrochemische bekomt in WS2 NT. Het gedrag van een verzadiging van ikDS geconstateerd wanneer verhoogt VG, en een tweede dramatisch verhoging van ikDS geconstateerd bij vaste VG tijdens wachten paar minuten. (d) ikDS op 300 K (links) en dichtheid van de vervoerder geschat door Hall-effect op 200 K (rechts) als functie van V-G in de WS2 vlok. Verzadiging en tweede verhoging van IDS is ook waargenomen in de Vlok. De dichtheid van de vervoerder toont de sterke toename in grote VG regio, met vermelding van het proces van bekomt. (e) temperatuursafhankelijkheid van de weerstand van WS2 NT na bekomt proces. Supergeleidende overgang geconstateerd op 5.8 K. (f) temperatuursafhankelijkheid van resistentie voor WS2 flake na bekomt proces. Supergeleidende overgang geconstateerd bij 8 K. Alle cijfers zijn overgenomen en bewerkt van Qin, F. et al. en Shi, W. et al. 38 , 50 Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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

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

Hoewel deze methode als gunstig voor het afstemmen van de grote hoeveelheid verbindingsnummer in kleine poort bias met de conventionele methode voor solide gating vergeleken wordt, zijn er enkele beperkingen van deze techniek. Ten eerste, omdat het nummer vervoerder wordt gerealiseerd via vloeibare gate, het is niet kan intunen het verbindingsnummer onder de bevroren temperatuur van elektrolyt/Ionische vloeistof12,28,-29,30. Conventionele solide gate, aan de andere kant, is geldig voor zelfs lage temperatuur, hoewel het is niet zo efficiënt als elektrolyt/Ionische vloeistof gate in hoge temperatuur (bij kamertemperatuur). Ten tweede, veel materialen zijn bekend om te laten zien dat de chemische reactie met elektrolyt/Ionische vloeistof in specifieke omstandigheden59,60,,61,62,,63. Deze chemische reactie gemakkelijk breekt de apparaten en beperkt de succesvolle verhouding van experimenten of toepassing op de materialen.

Echter, mensen hebben onlangs erkend dat de chemische reactie zou kunnen voor de toekomstige toepassing, zoals chemische etsen helpen voor haarverlies films59,60 en elektrochemische bekomt voor zwaar elektron doping9 ,11,34,38,50,51,52,53 en fase transformatie61,62 ,63. Een soortgelijke techniek is ook aangepast voor solide ion dirigent51,52,53 , en zelfs photoactive EDLT geweest ontwikkelde64.

In de elektrochemische doping regio, hebben wij het elektrische veld-geïnduceerde supergeleiding waargenomen. Het verschil van de supergeleidende overgang temperatuur tussen WS2 NTs en vlokken, die misschien te wijten aan de lagere dimensionaliteit van NTs is, moet worden voortgezet in de toekomst.

Als duidelijk aangetoond in de resultaten van deze studie biedt nummer vervoerder door de Ionische vloeistof gating een krachtige methode voor de kwantum faseovergang zoeken in nanomaterialen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

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

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sonication machine SND Co., Ltd. US-2 http://www.senjyou.jp/
Spin-coater machine ACTIVE Co.,Ltd. ACT-300AII http://www.acti-ve.co.jp/spincoater/standard/act300a2.html
Hot-plate TAIYO HP131224 http://www.taiyo-kabu.co.jp/products/detail.php?product_id=431
Optical Microscopy OLYMPUS BX51 https://www.olympus-ims.com/ja/microscope/bx51p/
Electron Beam Lithography machine ELIONIX INC. ELS-7500I https://www.elionix.co.jp/index.html
Scribing machine TOKYO SEIMITSU CO., LTD. A-WS-100A http://www.accretech.jp/english/product/semicon/wms/aws100s.html
Wire-bonding machine WEST·BOND  7476D-79 https://www.hisol.jp/products/bonder/wire/mgb/b.html
Physical Properties Measurement System Quantum Design PPMS http://www.qdusa.com/products/ppms.html
Lock-in amplifier Stanford Research Systems SRS830 http://www.thinksrs.com/products/SR810830.htm
Source meter Textronix KEITHLEY 2612A http://www.tek.com/keithley-source-measure-units/smu-2600b-series-sourcemeter
KClO4 Sigma-Aldrich 241830 http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigald/241830?lang=ja&region=JP
PEG WAKO 168-09075 http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0116-0907
IPA WAKO 169-28121 http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=169-28121
MIBK WAKO 131-05645 http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0113-0564
PMMA MicroChem PMMA http://microchem.com/Prod-PMMA.htm
Acetone WAKO 012-26821 http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=012-26821

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Ahn, C. H., et al. Electrostatic modification of novel materials. Rev. Mod. Phys. 78, 1185-1212 (2006).
  2. Ahn, C. H., Triscone, J. M., Mannhart, J. Electric field effect in correlated oxide systems. Nature. 424, 1015-1018 (2003).
  3. Panzer, M. J., Frisbie, C. D. Polymer Electrolyte Gate Dielectric Reveals Finite Windows of High Conductivity in Organic Thin Film Transistors at High Charge Carrier Densities. J. Am. Chem. Soc. 127, 6960-6961 (2005).
  4. Panzer, M. J., Frisbie, C. D. High charge carrier densities and conductance maxima in single-crystal organic field-effect transistors with a polymer electrolyte gate dielectric. Appl. Phys. Lett. 88, 203504 (2006).
  5. Misra, R., McCarthy, M., Hebard, A. F. Electric field gating with ionic liquids. Appl. Phys. Lett. 90, 052905 (2007).
  6. Ono, S., Seki, S., Hirahara, R., Tominari, Y., Takeya, J. High-mobility, low-power, and fast-switching organic field-effect transistors with ionic liquids. Appl. Phys. Lett. 92, 103313 (2008).
  7. Lee, J., Panzer, M. J., He, Y., Lodge, T. P., Frisbie, C. D. Ion Gel Gated Polymer Thin-Film Transistors. J. Am. Chem. Soc. 129, 4532-4533 (2007).
  8. Fujimoto, T., Awaga, K. Electric-double-layer field-effect transistors with ionic liquids. Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 8983-9006 (2013).
  9. Du, H., Lin, X., Xu, Z., Chu, D. Electric double-layer transistors: a review of recent progress. J. Mater. Sci. 50, 5641-5673 (2015).
  10. Ueno, K., et al. Field-induced superconductivity in electric double layer transistors. J. Phys. Soc. Jpn. 83, 032001 (2014).
  11. Bisri, S. Z., Shimizu, S., Nakano, M., Iwasa, Y. Endeavor of Iontronics: From Fundamentals to Applications of Ion-Controlled Electronics. Adv. Mater. 29, 1607054 (2017).
  12. Yuan, H. T., et al. High-density carrier accumulation in ZnO field-effect transistors gated by electric double layers of ionic liquids. Adv. Funct. Mater. 19, 1046-1053 (2009).
  13. Yuan, H., et al. Zeeman-type spin splitting controlled by an electric field. Nat Phys. 9, 563-569 (2013).
  14. Yamada, Y., et al. Electrically induced ferromagnetism at room temperature in cobalt-doped titanium dioxide. Science. 332, 1065-1067 (2011).
  15. Shibata, K., et al. Large modulation of zero-dimensional electronic states in quantum dots by electric-double-layer gating. Nat Commun. 4, 2664 (2013).
  16. Krüger, M., Buitelaar, M. R., Nussbaumer, T., Schönenbergera, C. Electrochemical carbon nanotube field-effect transistor. Appl. Phys. Lett. 78, 1291 (2001).
  17. Rosenblatt, S., Yaish, Y., Park, J., Gore, J., Sazonova, V., McEuen, P. L. High Performance Electrolyte Gated Carbon Nanotube Transistors. Nano Lett. 2, 869-872 (2002).
  18. Yuan, H. T., et al. Liquid-gated ambipolar transport in ultrathin films of a topological insulator Bi2Te3. Nano Lett. 11, 2601-2605 (2011).
  19. Zhang, Y., Ye, J., Matsuhashi, Y., Iwasa, Y. Ambipolar MoS2 thin flake transistor. Nano Lett. 12, 1136-1140 (2012).
  20. Braga, D., et al. Quantitative determination of the band gap of WS2 with ambipolar ionic liquid-gated transistors. Nano lett. 12, 5218-5223 (2012).
  21. Saito, Y., Iwasa, Y. Ambipolar insulator-to-metal transition in black phosphorus by ionic-liquid gating. ACS Nano. 9, 3192-3198 (2015).
  22. Sugahara, M., et al. Ambipolar transistors based on random networks of WS2 nanotubes. Appl. Phys. Express. 9, 075001 (2016).
  23. Kang, M. S., Lee, J., Norris, D. J., Frisbie, C. D. High Carrier Densities Achieved at Low Voltages in Ambipolar PbSe Nanocrystal Thin-Film Transistors. Nano Lett. 9, 3848-3852 (2009).
  24. Bisri, S. Z., et al. Low Driving Voltage and High Mobility Ambipolar Field-Effect Transistors with PbS Colloidal Nanocrystals. Adv. Mater. 25, 4309-4314 (2013).
  25. Dasgupta, S., et al. Printed and Electrochemically Gated, High-Mobility, Inorganic Oxide Nanoparticle FETs and Their Suitability for High-Frequency Applications. Adv. Funct. Mater. 22, 4909-4919 (2012).
  26. Thiemann, S., Gruber, M., Lokteva, I., Hirschmann, J., Halik, M., Zaumseil, J. High-Mobility ZnO Nanorod Field-Effect Transistors by Self-Alignment and Electrolyte-Gating. Acs Appl Mater Inter. 5, 1656-1662 (2013).
  27. Wong, A. T., et al. Impact of gate geometry on ionic liquid gated ionotronic systems. APL Mater. 5, 042501 (2017).
  28. Zhang, Y. J., Oka, T., Suzuki, R., Ye, J. T., Iwasa, Y. Electrically switchable chiral light-emitting transistor. Science. 344, 725-728 (2014).
  29. Zhang, Y. J., Yoshida, M., Suzuki, R., Iwasa, Y. 2D crystals of transition metal dichalcogenide and their iontronic functionalities. 2D Materials. 2, 044004 (2015).
  30. Onga, M., Zhang, Y. J., Suzuki, R., Iwasa, Y. High circular polarization in electroluminescence from MoSe2. Appl Phys Lett. 108, 073107 (2016).
  31. Yoshida, M., et al. Gate-optimized thermoelectric power factor in ultrathin WSe2 single crystals. Nano Lett. 16, 2061-2065 (2016).
  32. Saito, Y., et al. Gate-tuned thermoelectric power in black phosphorus. Nano Lett. 16, 4819-4824 (2016).
  33. Yoshida, M., et al. Controlling charge-density-wave states in nano-thick crystals of 1T-TaS2. Sci. Rep. 4, 7302 (2014).
  34. Yu, Y., et al. Gate-tunable phase transitions in thin flakes of 1T-TaS2. Nat Nanotechnol. 10, 270-276 (2015).
  35. Nakano, M., et al. Collective bulk carrier delocalization driven by electrostatic surface charge accumulation. Nature. 487, 459-462 (2012).
  36. Shimotani, H., Asanuma, H., Iwasa, Y. Electric Double Layer Transistor of Organic Semiconductor Crystals in a Four-Probe Configuration. Jpn. J. Appl. Phys. 46, 3613 (2007).
  37. Shi, W., et al. Transport Properties of Polymer Semiconductor Controlled by Ionic Liquid as a Gate Dielectric and a Pressure Medium. Adv. Funct. Mater. 24, 2005-2012 (2014).
  38. Shi, W., et al. Superconductivity series in transition metal dichalcogenides by ionic gating. Sci. Rep. 5, 12534 (2015).
  39. Saito, Y., Nojima, T., Iwasa, Y. Gate-induced superconductivity in two-dimensional atomic crystals. Supercond. Sci. Technol. 29, 093001 (2016).
  40. Saito, Y., Nojima, T., Iwasa, Y. Highly crystalline 2D superconductors. Nature Rev. Mater. 2, 16094 (2016).
  41. Ueno, K., et al. Electric-field-induced superconductivity in an insulator. Nat Mater. 7, 855-858 (2008).
  42. Ye, J. T., et al. Liquid-gated interface superconductivity on an atomically flat film. Nat Mater. 9, 125-128 (2010).
  43. Ueno, K., et al. Discovery of superconductivity in KTaO3 by electrostatic carrier doping. Nat Nanotechnol. 6, 408-412 (2011).
  44. Ye, J. T., et al. Superconducting dome in a gate-tuned band insulator. Science. 338, 1193-1196 (2012).
  45. Saito, Y., Kasahara, Y., Ye, J., Iwasa, Y., Nojima, T. Metallic ground state in an ion-gated two-dimensional superconductor. Science. 350, 409-413 (2015).
  46. Saito, Y., et al. Superconductivity protected by spin-valley locking in ion-gated MoS2. Nat Phys. 12, 144-149 (2016).
  47. Costanzo, D., et al. Gate-induced superconductivity in atomically thin MoS2 crystals. Nat Nanotechnol. 11, 339-344 (2016).
  48. Jo, S., Costanzo, D., Berger, H., Morpurgo, A. F. Electrostatically induced superconductivity at the surface of WS2. Nano Lett. 15, 1197-1202 (2015).
  49. Lei, B., et al. Gate-tuned superconductor-insulator transition in (Li,Fe)OHFeSe. Phys. Rev. B. 93, 060501 (2016).
  50. Qin, F., et al. Superconductivity in a chiral nanotube. Nat Commun. 8, 14465 (2017).
  51. Zhao, J., et al. Lithium-ion-based solid electrolyte tuning of the carrier density in graphene. Sci. Rep. 6, 34816 (2016).
  52. Lei, B., et al. Tuning phase transitions in FeSe thin flakes by field-effect transistor with solid ion conductor as the gate dielectric. Phys. Rev. B. 95, 020503 (2017).
  53. Zhu, C. S., et al. Tuning electronic properties of FeSe0.5Te0.5 thin flakes using a solid ion conductor field-effect transistor. Phys. Rev. B. 95, 174513 (2017).
  54. Tenne, R., Margulis, L., Genut, M., Hodes, G. Polyhedral and cylindrical structures of tungsten disulphide. Nature. 360, 444-446 (1992).
  55. Rothschild, A., Sloan, J., Tenne, R. Growth of WS2 nanotubes phases. J. Am. Chem. Soc. 122, 5169-5179 (2000).
  56. Zak, A., et al. Scaling-up of the WS2 nanotubes synthesis. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostruct. 19, 18-26 (2010).
  57. Rao, C. N. R., Nath, M. Inorganic nanotubes. Dalton T. 1, 1-24 (2003).
  58. Levi, R., Bitton, O., Leitus, G., Tenne, R., Joselevich, E. Field-effect transistors based on WS2 nanotubes with high current-carrying capacity. Nano Lett. 13, 3736-3741 (2013).
  59. Shiogai, J., et al. Electric-field-induced superconductivity in electrochemically etched ultrathin FeSe films on SrTiO3 and MgO. Nat Phys. 12, 42-46 (2016).
  60. Shiogai, J., et al. Unified trend of superconducting transition temperature versus Hall coefficient for ultrathin FeSe films prepared on different oxide substrates. Phys. Rev. B. 95, 115101 (2017).
  61. Jeong, J., et al. Suppression of Metal-Insulator Transition in VO2 by Electric Field-Induced Oxygen Vacancy Formation. Science. 339, 1402-1405 (2013).
  62. Schladt, T. D., et al. Crystal-Facet-Dependent Metallization in Electrolyte-Gated Rutile TiO2 Single Crystals. ACS Nano. 7, 8074-8081 (2013).
  63. Lu, N., et al. Electric-field control of tri-state phase transformation with a selective dual-ion switch. Nature. 546, 124-128 (2017).
  64. Suda, M., Kato, R., Yamamoto, H. M. Light-induced superconductivity using a photoactive electric double layer. Science. 347, 743-746 (2015).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics