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Engineering

Contrôle de champ électrique des États électroniques dans WS2 nanodispositifs par électrolyte Gate

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

Nous présentons ici un protocole pour contrôler le nombre de transporteurs dans les solides à l’aide de l’électrolyte.

Abstract

Une méthode de contrôle numéro transporteur par électrolyte Gate est démontrée. Nous avons obtenu WS2 flocons minces avec une surface plate atomiquement via la méthode du ruban adhésif scotch ou individuels WS2 nanotubes en dispersant la suspension de la WS2 nanotubes. Les échantillons sélectionnés ont été fabriquées dans des dispositifs par l’utilisation de la lithographie à faisceau d’électrons et électrolyte est mis sur les appareils. Nous avons caractérisé les propriétés électroniques des dispositifs en vertu de l’application de la tension de la porte. Dans la région de tension de petite porte, ions dans l’électrolyte sont accumulent à la surface des échantillons qui mène au grand électrique potentielle baisse et résultante électrostatique transporteur dopage à l’interface. Courbe de transfert ambipolar a été observé dans cette région de dopage électrostatique. Lorsque la tension de la porte est encore accrue, nous avons rencontré une autre augmentation drastique du courant de source-drain qui implique que les ions sont intercalées dans les couches de WS2 et électrochimique transporteur dopage est réalisé. Dans cette région de dopage électrochimique, la supraconductivité a été observée. La technique ciblée fournit une stratégie puissante pour réaliser la transition de phase quantique électrique déposée-induite.

Introduction

Contrôle le nombre de transporteurs est la technique clée pour réaliser la transition de phase quantique en solides1. Dans le transistor à effet de champ conventionnel (FET), elle est obtenue par utilisation de la porte solide1,2. Dans un tel dispositif, gradient de potentiel électrique est uniforme dans l’ensemble des matériaux diélectriques, alors que nombre de transporteur induite à l’interface est limité, illustré à la Figure 1 a.

En revanche, nous pouvons réaliser la plus forte densité de transporteur à l’interface ou en vrac en remplaçant les matériaux diélectriques solides avec des gels/liquides ioniques ou polymère électrolytes3,4,5,6, 7,8,9,10,11 (figure 1 b). Dans le dopage électrostatique par utilisation du liquide ionique, structure de transistor (EDLT) double couche électrique est formé à l’interface entre un liquide ionique et échantillon, générant un fort champ électrique (> 0,5 V/Å) même à basse tension de polarisation. Densité des porteurs élevées qui en résultent (> 1014 cm-2) induite à la cause de13 interface10,12,la transition de phase quantique ou de propriétés électronique nouvelle tels que ferromagnétisme induits par le champ-électrique14, Coulomb blocus15, transport ambipolar16,17,18,19,20, 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, formation de la jonction p-n et qui en résulte electroluminance28,29,30, grande modulation de pouvoirs thermoélectriques31,32, onde de densité de charge et Mott transitions33,34,35, et induits par le champ-électrique isolant-métal de transition36,37 , y compris la supraconductivité induite par l’électrique-champ9 ,10,11,38,39,40,41,42,43,44 ,45,46,47,48,49.

Dans l’électrolyte Gate (Figure 1C), les ions ne sont pas seulement accumulées à l’interface pour former EDLT, mais peuvent être également intercalées dans les couches de matériaux bidimensionnels via diffusion thermique sans échantillon préjudiciable en vertu de l’application de la tension de la grande porte, conduisant à l’électrochimique dopage8,9,11,34,38,50,51,52,53 . Ainsi, nous pouvons modifier radicalement le numéro du transporteur contre le transistor à effet de champ conventionnel en utilisant le portail solid. En particulier, la supraconductivité induite par l’électrique-champ9,11,34,38,50 est réalisé par utilisation d’électrolyte Gate dans la région du grand transporteur numéro où nous ne pouvons pas accéder par la méthode conventionnelle de blocage solide.

Dans cet article, nous présentons cette technique unique de contrôle numéro transporteur dans des matières solides et le fonctionnement du transistor et supraconductivité induite par l’électrique-champ en semi-conducteurs WS2 échantillons tels que WS2 flocons et WS2 nanotubes54,55,56,57.

Protocol

1. la Dispersion des WS 2 Nanotubes (NTs) sur substrat Disperser les poudres2 NT WS dans l’alcool isopropylique (IPA, plus de 99,8 % de concentration) avec bon rapport diluée (environ 0,1 mg/mL) par sonication pendant 20 min.Remarque : La sonication longue durée contribue à faire de WS2 NTs jonques uniformément suspension dans un liquide de l’IPA et distinct bien formé et individuels WS2 NTs d’amorphe WS2 ou autres, ainsi que d’enlever les…

Representative Results

Les opérations de transistor typique d’un WS2 NT individuel et un dispositifs de flocon WS2 sont présentées dans les figures 3 a et 3 b, respectivement, où la source drainent courant (j’aiDS) en fonction de la tension de grille (V G) fonctionne bien en mode ambipolar, montrant un contraste remarquable avec la réponse porte unipolaire de la FET fermée solide conventionnel…

Discussion

Dans WS2 NTs et flocons, nous avons avec succès contrôlée les propriétés électriques par électrostatique ou transporteur chimique electro dopage.

Dans la région de dopage électrostatique, opération ambipolar transistor a été observée. Cette courbe de transfert ambipolar avec une haute marche/arrêt ratio (> 102) observées en biais faible tension indique le transporteur effectif dopage à l’interface de la technique de blocage électrolyte pour le réglage …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nous reconnaissons que les financiers d’appui ci-après ; Subvention pour spécialement promu recherche (no 25000003) de pages JSP, subvention pour recherche activité mise en service (No.15H06133) et la difficile recherche (exploratoire) (no. JP17K18748) du MEXT du Japon.

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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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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