Retificação atual em uma estrutura:Contatos ReSe2 / Au em ambos os lados do ReSe2

Resumo

O efeito Schottky de materiais bidimensionais é importante para a eletricidade em nanoescala. A ReSe ₂ o floco é transferido para ser suspenso entre um coletor de Au e um nanofilme de Au. Este dispositivo é inicialmente projetado para medir as propriedades de transporte do ReSe ₂ Floco. No entanto, um comportamento de retificação é observado no experimento de 273 a 340 K. O coeficiente de retificação é cerca de 10. A microestrutura e a composição dos elementos são sistematicamente analisadas. O ReSe ₂ o floco e o filme de Au estão em contato com o substrato de Si a partir da imagem do microscópio eletrônico de varredura em uma visão inclinada de 45 °. O ReSe ₂ Os contatos / Si e Si / Au são heterojunção p-n e contatos Schottky. A assimetria de ambos os contatos resulta no comportamento de retificação. A previsão baseada na teoria da emissão termiônica concorda bem com os dados experimentais.

Introdução

Comportamentos de retificação de contatos de metal-semicondutor, onde a corrente varia com a direção da tensão aplicada, são amplamente usados em diodo de barreira Schottky, transistor de efeito de campo (FET) e FET de semicondutor de óxido de metal. Schottky explicou o comportamento de camadas de depleção no lado do semicondutor de tais interfaces [1]. Diferenças na função de trabalho do elétron entre metal e semicondutor levam ao comportamento de retificação denominado efeito Schottky [2]. O contato entre o metal e os materiais semicondutores bidimensionais (2D) é um contato Schottky quando o metal tem uma função de trabalho de elétron superior do que um material semicondutor 2D do tipo n ou função de trabalho de elétron inferior do que um semicondutor 2D do tipo p. O efeito Schottky de materiais metálicos / 2D tem grandes aplicações em micro-fotodetectores, micro-FETs, sensores de gás e fototransistores [3]. Entre os materiais 2D, os dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) têm atraído muita atenção porque possuem um bandgap considerável [3] e o bandgap transita de indireto para direto conforme a espessura é reduzida a monocamada [4]. O bandgap garante que os TMDs podem ser usados para muitas aplicações, ou seja, FETs e células solares [3]. Os TMDs também podem ser usados no campo termelétrico [5], o que tem chamado grande atenção [6,7,8,9]. Muitos experimentos foram feitos para explorar propriedades e aplicações de TMDs, como MoS ₂ , MoSe ₂ , WSe ₂ e WS ₂ . Lopez-Sanchez et al. [10] fez fototransistores ultrassensíveis de monocamada com MoS ₂ . Britnell et al. [11] fez um WS ₂ / heteroestrutura de grafeno e demonstrou sua aplicação em dispositivo fotovoltaico. WSe ₂ , como um semicondutor ambipolar, foi controlado com portas eletrostáticas duplas para fabricar um diodo emissor de luz [12, 13]. Entre TMDs, ReSe ₂ é diferente de outros TMDs de grupo VI porque ReSe ₂ pertence ao grupo VII TMDs com um elétron extra em d orbitais, o que leva a uma forte anisotropia no plano [14]. Alguns estudos exploraram as propriedades elétricas do ReSe ₂ devido à sua estrutura de banda especial. A retificação atual é explorada com um ReSe ₂ / WS ₂ heterojunção p-n [15] e ReSe ₂ / MoS ₂ heterojunção p-n [16]. FET é feito para investigar as propriedades elétricas de contatos de metal / semicondutor como ReSe ₂ / metal ou ReS ₂ / metal [17,18,19].

Nesta carta, um ReSe ₂ o floco é suspenso em um coletor de Au e um eletrodo de nanofibra de Au. O dispositivo é originalmente projetado para medir as condutividades térmica e elétrica do ReSe ₂ Floco. As medições foram realizadas a 340 K, 310 K, 280 K e 273 K.

Métodos

Primeiramente, o substrato de Si com eletrodos de Au foi fabricado. O substrato de Si não dopado com 400 μm de espessura foi oxidado para formar um SiO ₂ com 180 nm de espessura camada após a limpeza inicial, e uma resistência de feixe de elétrons de 320 nm de espessura foi depositada no SiO ₂ superfície por meio de revestimento de rotação. Au foi depositado por deposição física de vapor para fabricar os nanoeletrodos de Au e o nanofilme de Au no padrão que foi preparado por litografia por feixe de elétrons. Ao colocar a amostra no revelador fotorresistente, a resistência do feixe de elétrons foi gravada e o eletrodo de Au e o filme foram deixados. Por fim, o SiO ₂ camada é gravada por ácido fluorídrico tamponado e a camada de Si sob o nanofilme de Au é gravada por CF ₄ plasma para fabricar um nanofilme suspenso que está cerca de 6 μm acima do substrato de Si.

ReSe ₂ flocos foram sintetizados por transição química-vapor em um substrato de cobre. A ReSe ₂ o floco foi transferido para os eletrodos Au para fabricar Au-ReSe ₂ Contatos -Au usando o método de transferência de umedecimento, em que o ReSe ₂ nanoribbon com o substrato de cobre foi revestido por polimetilmetacrilato (PMMA) e flutuou sobre a solução de corrosão para atacar o substrato de cobre. Depois que o substrato de cobre foi removido, o ReSe revestido com PPMA ₂ o floco foi movido com precisão acima do substrato de Si com nanoeletrodos de Au pela plataforma de transferência de ponto fixo. Em seguida, o PMMA foi cortado a laser e o ReSe revestido de PMMA ₂ o floco pousou para ser suspenso entre o nanofilme de Au e o nanoeletrodo de Au. Finalmente, o PMMA foi removido mergulhando a amostra em um banho de solução de hidróxido de potássio por 3 h. A imagem do microscópio eletrônico de varredura (SEM) do eletrodo de Au fabricado-ReSe ₂ nanoribbon flake-Au (Au-ReSe ₂ -Au) junções em vista vertical para o substrato é mostrado na Fig. 1a. O ReSe ₂ flake estava em contato com uma nanofita de Au na seção B e em contato com um eletrodo de Au na seção C. A Figura 1b mostra o diagrama esquemático do dispositivo.

a Imagem SEM do dispositivo em vista vertical para o substrato e a direção da corrente positiva e b diagrama esquemático do dispositivo de medição

A direção ao longo de A-B-C é definida como positiva, ou vice-versa, e uma corrente contínua foi aplicada. A tensão, V , em Au-ReSe ₂ -Au junções foi medido por um multímetro digital de alta precisão (Keitheley 2002, 8,5 dígitos), enquanto a corrente, I , foi determinado medindo a tensão em um resistor de referência em série. O eu - V curvas do ReSe ₂ As junções / Au para tensão direta e inversa foram medidas em diferentes temperaturas em um sistema de medição de propriedade física (projeto quântico).

Resultados e discussão

A Figura 2 mostra o I medido - V curvas em 273 K, 280 K, 310 K e 340 K. Assimetrias significativas no I - V curvas são observadas em todas as temperaturas medidas, indicando comportamento retificador incomum. Correntes em 277 mV e - 277 mV são usadas para calcular a taxa de retificação de corrente em cada temperatura, e a taxa de retificação é cerca de 10. A corrente aumenta com a temperatura para uma dada tensão.

Características de tensão de corrente das junções Au-ReSe2-Au em 273 K, 280 K, 310 K e 340 K

Para explorar o mecanismo responsável pela retificação incomum, a microestrutura do ReSe ₂ o floco foi detectado por um microscópio de força atômica [(AFM), Cypher, Oxford Instruments] e um espectrômetro Raman (Jovin Yvon T64000, comprimento de onda de excitação 532 nm). A imagem AFM do ReSe ₂ o floco é mostrado na Fig. 3a-c, e a espessura média determinada é de 28 nm com base no perfil de altura da seção transversal ao longo da linha branca. O espectro Raman que consiste em até 13 linhas esperadas com alta intensidade de sinal é mostrado na Fig. 3d, correspondendo bem com o espectro detectado por Wolverson et al. [4] e revelando a estrutura cristalina triclínica do presente ReSe ₂ Floco.

a , b , e c Imagem AFM e espessura de ReSe2 e d Espectro Raman e estrutura cristalina de ReSe2

A Figura 4 é a imagem SEM do ReSe ₂ floco em vista inclinada de 45 ° mostrando que o ReSe ₂ o floco e o nanofilme de Au estão em contato com o substrato de Si. ReSe ₂ O contato -Au foi mostrado como o contato ôhmico no estudo anterior [20], o qual não é responsável pelo comportamento de retificação neste experimento. O circuito é constituído pelo Au-ReSe ₂ -Au e o Au-ReSe ₂ Junções -Si-Au. A Figura 5 mostra o esquema do circuito. O contato Si-Au foi mostrado como o contato Schottky [21].

Imagem SEM do ReSe ₂ floco e o nanofilme de Au em vista inclinada de 45 °

Esquema do circuito

A Figura 6 mostra os dados de espectroscopia de energia dispersiva (EDS). O espectro da soma do mapa de ReSe ₂ é adquirido na seção 1 e 2. A fórmula química média é ReSe _1,67 que tem uma proporção maior de Re do que ReSe ₂ e dá o ReSe ₂ propriedades do semicondutor do tipo p do floco. Portanto, o ReSe ₂ O contato -Si é uma heterojunção p-n e exibe o comportamento de retificação. A assimetria de ambos os contatos de retificação resulta no comportamento de retificação.

Dados EDS de ReSe ₂ está no canto superior direito da imagem. As caixas 1 e 2 representam duas seções medidas

A corrente pode ser determinada pela seguinte equação no contato Schottky e na heterojunção p-n [22, 23]:
$$ I ={I} _0 {e} ^ {qV / nkT} \ left (1- {e} ^ {- qV / kT} \ right) $$ (1) $$ {I} _0 ={AA} ^ {\ ast} {T} ^ 2 {e} ^ {- q {\ Phi} _B / kT} $$ (2)
onde eu ₀ é a corrente de saturação, q é a cobrança eletrônica, k é a constante de Boltzmann, V é a tensão aplicada na junção, A é a área de contato, A ^* é a constante de Richardson efetiva, Ф _B é a altura aparente da barreira e T é a temperatura de medição. O fator de idealidade dependente da temperatura n representa o nível em que o contato se afasta de um contato Schottky ideal.

Um cálculo baseado na Eq. (1) é feito para examinar a análise para o comportamento de retificação. Correntes do ReSe ₂ -Si contato, eu ₁ , e o contato Si-Au, I ₂ , são expressos por:
$$ {I} _1 ={I} _ {01} {e} ^ {qV / {n} _1 kT} \ left (1- {e} ^ {- qV / kT} \ right), $$ (3 ) $$ {I} _2 ={I} _ {02} {e} ^ {- qV / {n} _2 kT} \ left ({e} ^ {qV / kT} -1 \ right). $$ (4)
A Figura 7 mostra que os resultados numéricos concordam bem com os dados experimentais. Os parâmetros numéricos são mostrados na Tabela 1. A corrente de saturação reversa do ReSe ₂ -O contato Si é maior do que o contato Si-Au porque a área de contato do ReSe ₂ O contato -Si é muito maior, conforme mostrado na Fig. 4. A corrente de saturação reversa de ambos os contatos aumenta com a temperatura, indicando que as condutividades elétricas de ambos os contatos exibem comportamento de retificação, conforme mostrado na Eq. (2)

Comparação de I - V curvas dos resultados experimentais e o calculado

O fator de idealidade do ReSe ₂ O contato -Si é maior do que o contato Si-Au devido às diferentes condições de contato e estruturas cristalinas. A Figura 4 mostra que a superfície do substrato de Si é áspera devido à solução de corrosão, o que torna o ReSe ₂ -Si contato não homogêneo. O contato não homogêneo leva ao grande fator de idealidade [24, 25]. A superfície rugosa também produz um grande número de estados de trapping que resultam em um grande fator de idealidade [26]. Além disso, diferentes tipos de contato geram diferentes fatores de idealidade. O ReSe ₂ -Si contato é a heterojunção p-n, e o ReSe ₂ e Si têm estruturas cristalinas diferentes, triclínicas para ReSe ₂ e cúbica centrada na face para Si. A incompatibilidade de rede sempre leva ao deslocamento da borda [27] e produz alta densidade de estados de armadilha [26], tornando o ReSe ₂ -Os contatos SI desviam-se do contato ideal e possuem um grande fator de idealidade [27]. O Si-Au é o contato semicondutor de metal, e a estrutura cristalina do Si tem poucos efeitos no fator de idealidade. Os fatores de idealidade de ambos os contatos mudam pouco com a temperatura. Isso pode ser explicado pela Eq. (5) conforme relatado por Khurelbaatar et al. [28],
$$ n =\ frac {q} {kT} \ frac {dV} {d \ ln I}. $$ (5)
A equação (5) mostra que o fator de idealidade é inversamente proporcional à temperatura. O fator de idealidade diminui significativamente com a temperatura apenas em baixa temperatura e muda lentamente quando a temperatura está acima de 300 K [28, 29]. Porém, conforme mostrado na Tabela 1, a corrente de saturação reversa aumenta significativamente com a temperatura, que é diferente do fator de idealidade. Isso pode ser explicado pela Eq. (2) De acordo com a Eq. (2), a corrente de saturação reversa aumenta com a temperatura porque T ² e exp (- q Φ _B / kT ) aumentam com a temperatura. Devido à relação exponencial entre exp (- q Φ _B / kT ) e - qΦ _B / kT, exp (- q Φ _B / kT ) aumenta significativamente com a temperatura. Com base na pesquisa de Zhu et al [30], q Φ _B do contato Au / Si no experimento em 273 K e 295 K são 0,77 eV e 0,79 eV, respectivamente. Os resultados calculados mostram que a corrente de saturação reversa em 295 K é seis vezes maior que a corrente de saturação reversa em 273 K, explicando porque a corrente de saturação reversa aumenta significativamente com a temperatura.

Conclusões

Em conclusão, um comportamento de retificação é observado nos contatos onde um ReSe ₂ flocos suspensos em substrato de Au e nanofilme de Au em diferentes temperaturas. A imagem SEM do ReSe suspenso ₂ floco em vista inclinada de 45 ° mostra que o ReSe ₂ o floco e o nanofilme de Au estão em contato com o substrato de Si e o mapa EDS ilustrou a composição dos elementos, ReSe _1,67 . O contato entre o ReSe ₂ o floco e o substrato de Si são responsáveis pelo comportamento de retificação. O ReSe ₂ Os contatos -Si e Si-Au são ambos contatos de retificação formando outro circuito, e a assimetria de ambos os contatos resulta no comportamento de retificação aparente. Os resultados calculados com base na equação da corrente Schottky consideraram o contato Si-Au Schottky e o ReSe ₂ -Si p-n heterojunção concorda bem com os resultados dos experimentos.

Abreviações

2D:: Bidimensional
AFM:: Microscópio de força atômica
EDS:: Espectroscopia de energia dispersiva
FET:: Transistor de efeito de campo
PMMA:: Polimetilmetacrilato
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
TMD:: Dichalcogenetos de metais de transição

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