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

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

Elektrik alanı kontrol elektronik elektrolit çoğunluğuna tarafından WS2 Nanodevices durumlarda

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

Burada, katı taşıyıcı sayısında elektrolit kullanarak denetlemek için bir iletişim kuralı mevcut.

Abstract

Elektrolit çoğunluğuna tarafından taşıyıcı numara kontrolü yöntemi gösterilmiştir. Biz WS2 yolu ile bant yöntemi ya da bireysel WS2 nanotüpler atomik düz yüzeyli ince ince tabakalar WS2 nanotüpler süspansiyon dağıtıcı maddeler tarafından elde etmiş olursunuz. Elektron ışını litografi kullanılarak seçilen örnekleri içine aygıt fabrikasyon ve elektrolit aygıtlarda koymak. Kapı gerilim uygulama altında cihazların elektronik özellikleri nitelendirmiştir. Küçük kapı gerilim bölgesinde, elektrolit iyonu arayüzü doping büyük elektrik potansiyel damla ve sonuç Elektrostatik taşıyıcı yol açan örnekleri yüzeyi biriktirilir. Ambipolar transfer eğrisi Elektrostatik bu doping bölgede gözlenmiştir. Gate gerilimi daha da arttı, biz hangi iyonları WS2 katmanlara ara ve elektrokimyasal taşıyıcı doping fark da anlaşılacağı üzere bu kaynak tüketen mevcut başka bir ciddi artış bir araya geldi. Böyle elektrokimyasal doping bölgede üstüniletkenlik gözlenmiştir. Odaklı teknik elektrik-under-indüklenen kuantum faz geçiş ulaşmak için güçlü bir strateji sağlar.

Introduction

Sağlayıcının numarasını kuantum faz geçişi katı1anahtar için teknik denetimidir. Geleneksel alan etkili transistör (FET), sağlam kapı1,2kullanımı ile elde edilir. Bu indüklenen taşıyıcısı numarası arayüz 1a rakamgösterilen sınırlı, bu yüzden böyle bir cihazın elektrik potansiyel degrade Dielektrik malzeme Tekdüzen.

Öte yandan, biz iyonik jelleri/sıvı ya da polimer elektrolit3,4,5,6ile katı Dielektrik malzemeleri değiştirerek daha yüksek taşıyıcı yoğunluğu arabirimi veya toplu elde edebilirsiniz, 7,8,9,10,11 (Şekil 1b). Elektrostatik iyonik sıvı kullanımı ile doping, elektrikli çift katmanlı transistör (çeviri) yapısı güçlü elektrik alan üreten örnek arasındaki iyonik sıvı arayüzü oluşturulur (> 0,5 V/Å) düşük önyargı voltaj, bile. Sonuç yüksek taşıyıcı yoğunluğu (> 1014 cm-2) arabirimi10,12,13 neden romanı elektronik özellikleri veya kuantum faz geçiş gibi indüklenen elektrik alan bağlı ferromagnetism14, Coulomb abluka15, ambipolar taşıma16,17,18,19,20, 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, p-n kavşak ve sonuç electroluminance28,29,30, termoelektrik güçler31,32, büyük modülasyon gider yoğunluk dalgası ve Mott33,34,35geçişler ve elektrik alan-kaynaklı yalıtkan-metal elektrik alan bağlı üstüniletkenlik9 dahil olmak üzere36,37 geçiş ,10,11,38,39,40,41,42,43,44 ,45,46,47,48,49.

Elektrolit (şekil 1 c) çoğunluğuna iyonları yalnızca arabirim formuna çeviri birikmiş değil, ama aynı zamanda büyük bir kapı gerilim uygulama altında zarar verici örnek olmadan termal Difüzyon yolu ile iki boyutlu malzemelerin katmanlara ara, elektrokimyasal doping8,9,11,34,38,50,51,52için,53 önde gelen . Böylece, büyük ölçüde sağlam kapı kullanarak geleneksel alan etkili transistör göre sağlayıcının numarasını değiştirebilirsiniz. Özellikle, elektrik alan bağlı üstüniletkenlik9,11,34,38,50 büyük taşıyıcı bölgede elektrolit perdeleme kullanılarak gerçekleştirilmektedir numarası nerede geleneksel katı perdeleme yöntemiyle erişemiyor.

Bu makalede, biz transistör işlemi ve elektrik alan bağlı üstüniletkenlik yarıiletken WS içinde taşıyıcı numara kontrolü katılar ve genel bakış bu benzersiz teknik tanıtmak2 örnekleri WS2 pul ve WS2 gibi nanotüpler54,55,56,57.

Protocol

1. WS 2 nanotüpler (NTs) substrat dağılımı WS2 NT tozlar sonication için 20 min tarafından izopropil alkol (IPA, konsantrasyon % 99.8 daha fazla) (yaklaşık 0.1 mg/mL) uygun seyreltilmiş oranıyla içine dağıtmak.Not: Uzun süredir sonication düzgün askıya alınmış IPA sıvı ve amorf WS2 ayrı iyi biçimlendirilmiş bireysel WS2 NTs veya diğer junks WS2 NTs yapmak gibi WS2 üzerinde NTs biriken çöp çıkarmak için yardım…

Representative Results

Tipik transistör işlemleri bir bireysel WS2 NT ve WS2 pul aygıtların şekil 3a ve 3b, sırasıyla gösterilir nerede kaynağı geriliminin bir fonksiyonu olan kapı (V geçerli (benDS) drenaj G) güzel geleneksel sağlam kapı FET tek kutuplu kapısı Cevabıyla dikkate değer bir kontrast önceki yayın58′ gösterilen bir ambipolar modunda çalışır….

Discussion

Hem WS2 NTs ve pul, biz başarılı bir şekilde elektrik özellikleri tarafından Elektrostatik kontrollü veya elektro kimyasal taşıyıcı doping.

Elektrostatik doping bölgede ambipolar transistör işlemi gözlenmiştir. Böyle ambipolar transfer eğrisi ile açma- kapama oranı yüksek (> 102) içinde gözlenen düşük önyargı voltaj elektrolit gating tekniği bu sistemler Fermi düzeyini ayarlamak için arayüz doping etkili taşıyıcı gösterir.

<p class…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Aşağıdaki mali destek kabul; Grant-in-Aid için özel olarak araştırma (No. 25000003) JSP’ler terfi., Grant-in-Aid için araştırma etkinlik başlangıç (No.15H06133) ve araştırma (keşif) zor (No JP17K18748) MEXT Japonya dan.

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