JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
العربية

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

المجال الكهربائي لسيطرة الدول الإلكترونية في نانوديفيسيس2 WS بالكهرباء النابضة

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

نقدم هنا، بروتوكولا للتحكم في عدد الناقل في المواد الصلبة باستخدام الكهرباء.

Abstract

ويتضح أسلوب المراقبة رقم الناقل النابضة المنحل بالكهرباء. نحصل على WS2 رقائق رقيقة مع سطح مستو الذرة عن طريق الأسلوب اﻻسكتلندي أو WS الفردية2 الأنابيب النانوية بتفريق تعليق WS2 الأنابيب النانوية. قد لفقت عينات مختارة إلى الأجهزة باستخدام الطباعة الحجرية شعاع الإلكترون والكهرباء على الأجهزة. نحن اتسمت خصائص الأجهزة تحت تطبيق الجهد البوابة الإلكترونية. في منطقة بوابة صغيرة، والجهد تتراكم الأيونات في الكهرباء على سطح العينات مما يؤدي إلى كبير الكهربائية المحتملة الناتجة وإسقاط الالكتروستاتيكي الناقل تعاطي المنشطات في الواجهة. وقد لوحظ منحنى نقل أمبيبولار في هذه المنطقة المنشطات الالكتروستاتيكي. عندما يتم زيادة الجهد البوابة، التقينا زيادة جذرية أخرى مصدر استنزاف الحالية مما يعني ضمناً أن الأيونات هي أولمبية صيفية في طبقات WS2 ويتحقق الناقل الكهروكيميائية تعاطي المنشطات. وقد لوحظ في هذه المنطقة، وتناول المنشطات الكهروكيميائية الموصلية الفائقة. توفر تقنية مركزة استراتيجية قوية لتحقيق الانتقال مرحلة الكم الناجم عن قدم الكهربائية.

Introduction

مراقبة عدد الناقل هو الأسلوب الرئيسي لتحقيق الانتقال مرحلة الكم في المواد الصلبة1. في الترانزستور تأثير المجال التقليدي (FET)، فإنه يتحقق من خلال استخدام بوابة الصلبة1،2. في مثل هذا جهاز، التدرج المحتملة الكهربائية موحد في جميع أنحاء المواد العازلة للكهرباء حيث أن رقم الناقل المستحث في الواجهة محدود، هو مبين في الشكل 1 ألف.

من ناحية أخرى، يمكن أن نحقق أعلى كثافة الناقل في واجهة أو السائبة بالاستعاضة عن المواد العازلة الصلبة بالمواد الهلامية/السوائل الأيونية أو البوليمر الشوارد3،4،،من56، 7،،من89،،من1011 (الشكل 1b). في المنشطات الكهربائي باستخدام السوائل الأيونية، يتم تشكيل هيكل الترانزستور (أدلت) طبقة مزدوجة كهربائية في التفاعل بين السوائل الأيونية وعينه، توليد القوى الكهربائية الميدانية (> 0.5 V/Å) حتى في الجهد المنخفض التحيز. الكثافة الناتجة الناقل عالية (> 10 سم14 -2) التي يسببها في واجهة10،،من1213 القضية الرواية الإلكترونية خصائص أو الكم المرحلة المرحلة الانتقالية مثل فيروماجنيتيسم الناجمين عن الحقل الكهربائي14، حصار كولومب15، النقل أمبيبولار16،،من1718،،من1920، 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27، وتشكيل تقاطع p-n واليكترولومينانسي الناتجة28،29،30، تعديل كبير للقوى الحرارية31،32، تهمة موجه الكثافة و موت التحولات33،،من3435، والناجمة عن حقل كهربائي عازل-المعادن الانتقالية36،37 بما في ذلك الناجم عن الحقل الكهربائي الموصلية الفائقة9 ،10،11،،من3839،،من4041،42،43،44 ،45،،من4647،،من4849.

في اﻻلكتروﻻيت النابضة (الشكل 1 ج)، أيونات تتراكم ليس فقط في الواجهة للنموذج أدلت، لكن يمكن أولمبية صيفية أيضا في طبقات من المواد ثنائية الأبعاد عن طريق نشر الحرارية دون عينة مدمرة تحت تطبيق الجهد بوابة كبيرة، مما يؤدي إلى الكهروكيميائية المنشطات8،9،11،34،38،،من5051،52،53 . وهكذا، نحن جذريا تغيير رقم الناقل الترانزستور تأثير المجال التقليدي باستخدام بوابة الصلبة بالمقارنة. على وجه الخصوص، يتحقق الموصلية الفائقة التي يسببها الحقل الكهربائي9،11،34،،من3850 باستخدام اﻻلكتروﻻيت النابضة في المنطقة حاملة كبيرة عدد حيث أننا لا يمكن الوصول بواسطة الأسلوب النابضة الصلبة التقليدية.

في هذه المقالة، نقدم هذا الأسلوب الفريد من الناقل رقم التحكم في المواد الصلبة، ونظرة عامة على تشغيل الترانزستور والناجمة عن الحقل الكهربائي الموصلية الفائقة في WS انتشارية عينات2 مثل رقائق2 WS و WS2 الأنابيب النانوية54،55،،من5657.

Protocol

1-تشتت WS 2 الأنابيب النانوية (NTs) على الركازة تفريق WS2 NT مساحيق إلى الكحول الأيزوبروبيل (معهد الإدارة العامة، تركز أكثر من 99.8 في المائة) مع نسبة المخفف السليم (حوالي 0.1 مغ/مل) من سونيكيشن لمدة 20 دقيقة.ملاحظة: سونيكيشن منذ فترة طويلة يساعد على جعل تي إس2 WS موحد معلقة في سا…

Representative Results

عمليات نموذجية الترانزستور NT2 WS فردية وأجهزة تقشر2 WS هي هو موضح في الشكل 3 ألف و 3 باء، على التوالي، حيث استنزاف المصدر الحالي (أناDS) كدالة للجهد بوابة (V ز) لطيف يعمل في وضع أمبيبولار، عرض على النقيض ملحوظا لرد بواب?…

Discussion

في WS2 NTs ورقائق، ونحن قد بنجاح يسيطر عليها خصائص كهربائية الالكتروستاتيكي أو الناقل الكهربائية الكيميائية المنشطة.

وقد لوحظ في المنطقة المنشطات الالكتروستاتيكي، تشغيل الترانزستور أمبيبولار. هذا المنحنى نقل أمبيبولار مع تشغيل/إيقاف تشغيل نسبة عالية (> 102) الملاح…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

ونحن نعترف بالدعم المالية التالية؛ معونات لتشجيع خصيصا للبحث (رقم 25000003) من JSPS، ومعونات للبحوث بدء النشاط (No.15H06133) وتحدي البحث (الاستكشافية) (رقم JP17K18748) من يأمرون اليابان.

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
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).

Tags

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

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image