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Engineering

Elektrisches Feld Kontrolle der elektronischen Zustände in WS2 Nanosysteme durch Elektrolyt Anspritzung

Published: April 12, 2018
doi:
10.3791/56862
, , , , , , ,
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

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um die Anzahl der Träger in Festkörpern mit Elektrolyten steuern.

Abstract

Eine Methode der Träger Nummer Kontrolle durch Elektrolyt Anspritzung wird demonstriert. Wir haben WS2 dünne Flocken mit atomar flachen Oberfläche per Tesafilm Methode oder individuelle WS2 Nanoröhren erhalten, durch die Aussetzung der WS2 Nanoröhren Dispergieren. Die ausgewählten Beispiele haben in Geräte durch den Einsatz von der Elektronenstrahllithographie hergestellt worden und Elektrolyt wird auf den Geräten. Wir haben die elektronischen Eigenschaften der Geräte unter Anwendung der Gate-Spannung gekennzeichnet. Im Großraum kleiner Gate-Spannung werden Ionen im Elektrolyten auf der Oberfläche der Proben gesammelt, führt zu der großen elektrischen potenzielle Drop und daraus resultierenden elektrostatische Träger doping an der Schnittstelle. Ambipolar Transfer Kurve ist elektrostatische doping hierzulande beobachtet worden. Wenn die Gate-Spannung weiter erhöht, trafen wir eine weitere drastische Erhöhung der Source-Drain-Strom, der impliziert, dass Ionen in Schichten von WS2 Zwischenspiele sind und elektrochemische Träger doping realisiert. In einer solchen elektrochemischen doping Region wurde Supraleitung beobachtet. Die fokussierte Technik bietet eine wirkungsvolle Strategie zur Erreichung der Elektro-eingereicht-induzierte quantenphasenübergang.

Introduction

Kontrolle über die Anzahl der Träger ist der Key-Technik für die quantenphasenübergang in Feststoffen1zu realisieren. In der konventionellen Feldeffekttransistor (FET) wird durch Verwendung von soliden Tor1,2erreicht. In einem solchen Gerät ist elektrische mögliche Steigung der dielektrischen Materialien einheitlich so diese induzierte Träger Zahl an der Schnittstelle begrenzt, dargestellt in Abbildung 1a.

Auf der anderen Seite erreichen wir die höhere Dichte der Träger an der Schnittstelle oder Masse, indem die festen dielektrischen Materialien mit ionischen Gele/Flüssigkeiten oder Polymer Elektrolyte3,4,5,6, 7,8,9,10,11 (Abbildung 1 b). In der elektrostatischen doping durch Verwendung von ionischen Flüssigkeit Elektrische Doppelschicht Transistor (EDLT) Struktur wird an der Schnittstelle zwischen ionischen Flüssigkeit und Probe, Erzeugung von starken elektrischen Feld gebildet (> 0,5 V/Å) auch bei geringer Vorspannung. Daraus resultierende hohe Träger Dichte (> 1014 cm-2) induziert die Schnittstelle10,12,13 Ursache die neuartige elektronische Eigenschaften oder Quanten Phasenübergang wie e-Feld-induzierte Ferromagnetismus14, Coulomb Blockade15, ambipolar Transport16,17,18,19,20, 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, Bildung von p-n-Übergang und daraus resultierende Electroluminance28,29,30, großer Modulation der thermoelektrische Kräfte31,32, laden Dichte Welle und Mott Übergänge33,34,35, und e-Feld-induzierte Isolator-Metall Übergang36,37 , einschließlich e-Feld-induzierte Supraleitung9 ,10,11,38,39,40,41,42,43,44 ,45,46,47,48,49.

In den Elektrolyten gating (Abbildung 1 c), Ionen sind nicht nur an der Schnittstelle zur Form EDLT angesammelt, sondern können auch in Schichten der zweidimensionalen Materialien über thermische Diffusion ohne schädliche Probe unter Anwendung der großen Gate-Spannung eingelagert werden, führt zu den elektrochemischen doping8,9,11,34,38,50,51,52,53 . So können wir die Träger-Anzahl im Vergleich zu den konventionellen Feldeffekt-Transistors mit soliden Tor drastisch ändern. E-Feld-induzierte Supraleitung9,11,34,38,50 erfolgt insbesondere durch Verwendung von Elektrolyt Anspritzung in der Region der großen Träger Anzahl, wo wir nicht von der herkömmlichen festen gating-Methode zugreifen können.

In diesem Artikel stellen wir diese einzigartige Technik der Träger Nummer Kontrolle in Festkörpern und Übersicht der Transistor Betrieb und e-Feld-induzierte Supraleitung in halbleitenden WS2 Proben wie WS2 Flocken und WS2 Nanoröhren54,55,56,57.

Protocol

(1) Dispersion von WS 2 Nanoröhren (NTs) auf Substrat WS2 NT Pulver in Isopropylalkohol (IPA, Konzentration mehr als 99,8 %) mit richtigen verdünnten Verhältnis (ca. 0,1 mg/mL) durch Ultraschallbehandlung für 20 min zu zerstreuen.Hinweis: Der langjährige Beschallung hilft, WS2 NTs gleichmäßig ausgesetzt in IPA Flüssigkeit und separate wohlgeformt individuelle WS2 NTs von amorphen WS2 oder andere Dschunken machen, sowie den Müll ansammeln auf WS…

Representative Results

Die typische Transistor Operationen eine individuelle WS2 NT und ein WS2 Flocke-Geräte erscheinen in Abbildung 3a und 3 b, bzw. wo die Quelle drain Strom (ichDS) in Abhängigkeit von der Gate-Spannung (V G) schön in einem ambipolar Modus, zeigt einen bemerkenswerten Kontrast zu der unipolaren Tor Antwort von den herkömmlichen festen gated FET in früheren Publikation<sup class=…

Discussion

In WS2 NTs und Flocken, haben wir erfolgreich die elektrischen Eigenschaften von elektrostatischen kontrolliert oder Elektro-Chemikalien-Frachter doping.

In elektrostatischen doping Region ist ambipolar Transistor Betrieb beobachtet worden. So ambipolar Transfer-Kurve mit hohem ein-/aus-Verhältnis (> 102) beobachteten in niedrigen Bias Spannung zeigt die effektive Träger doping an der Schnittstelle von Elektrolyt gating Technik für tuning das Fermi-Niveau dieser System…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wir anerkennen, dass die folgenden finanziellen Unterstützung; Beihilfe für Forschung (Nr. 25000003) von JSPS speziell gefördert, Beihilfe für Forschung Tätigkeit Inbetriebnahme (No.15H06133) und anspruchsvolle Forschung (explorative) (No. JP17K18748) von MEXT Japans.

Materials

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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Keywords: Electric-field ControlElectronic StatesWS2 NanodevicesElectrolyte GatingQuantum Phase TransitionsElectric-field-induced SuperconductivityTungsten Disulfide NanotubesTungsten Disulfide FlakesPMMA CoatingSpin-coating
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