Transistor de efeito de campo SnSe2 com alta relação liga / desliga e fotocondutividade comutável por polaridade

Resumo

SnSe ₂ o transistor de efeito de campo foi fabricado com base em SnSe de poucas camadas esfoliado ₂ floco e suas propriedades elétricas e fotoelétricas foram investigadas em detalhes. Com a ajuda de uma gota de água desionizada (DI), o SnSe ₂ O FET pode atingir uma relação liga / desliga de até ~ 10 ⁴ dentro da polarização de 1 V, o que é extremamente difícil para SnSe ₂ devido à sua densidade de portadores ultra-alta (10 ¹⁸ / cm ³ ) Além disso, a oscilação e a mobilidade subliminares são melhoradas para ∼ 62 mV / década e ~ 127 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ a 300 K, que resulta da triagem eficiente pela porta dielétrica líquida. Curiosamente, o SnSe ₂ O FET exibe uma fotocondutividade dependente de polarização de porta, na qual uma competição entre a concentração de portadores e a mobilidade sob iluminação desempenha um papel fundamental na determinação da polaridade da fotocondutividade.

Introdução

Devido ao efeito de confinamento quântico, os materiais em camadas atomicamente bidimensionais (2D) (ALMs) se comportam de maneira muito diferente de suas contrapartes em massa 3D, exibindo algumas propriedades eletrônicas, ópticas, químicas, magnéticas e térmicas únicas e fascinantes [1]. ALMs 2D fornecem uma plataforma atraente para pesquisas físicas e químicas fundamentais no limite de um único átomo ou espessura de poucas camadas. Além disso, os ALMs podem ser integrados de forma flexível com outros dispositivos, oferecendo um espaço maior ou liberdade para desenvolver funções novas além do alcance dos materiais existentes. Na última década, os ALMs 2D foram amplamente investigados e encontraram aplicações potenciais em campos como sensores, energia e meio ambiente [2, 3].

Recentemente, como um membro importante do grupo IV-VI, o disseleneto de estanho (SnSe ₂ ) chamou muita atenção. SnSe ₂ tem um CdI hexagonal ₂ -estrutura cristalina do tipo, na qual os átomos de Sn são ensanduichados por duas camadas de átomos de Se hexagonalmente empacotados com grupo espacial \ (\ mathrm {p} \ overline {3} \ mathrm {m} 1 \) [4]. Ao contrário dos dichalcogenetos metálicos de transição (TMDs), SnSe ₂ possui um bandgap mais estreito com característica de band gap indireto dentro de toda a faixa de espessura do bulk à monocamada, resultante dos elétrons p externos de Sn envolvidos na ligação estrutural, ao contrário dos elétrons d de Mo ou W em MoS ₂ ou WS ₂ [5]. SnSe ₂ foi investigado por ter excelentes propriedades em termelétricas, memória de mudança de fase, baterias de íon-lítio e vários dispositivos lógicos eletrônicos [4, 6,7,8,9]. Especialmente, SnSe ₂ tem uma afinidade eletrônica mais alta (5,2 eV) e, portanto, tem uma aplicação especial na fabricação de transistores de efeito de campo de tunelamento (FETs) [9,10,11]. Pan et al. FETs investigados sistematicamente com base em SnS esfoliado mecanicamente _{2 - x} Se _x cristais com conteúdo variável de selênio [12]. Eles descobriram que a corrente da fonte de drenagem ( I _d ) não pode ser completamente desligado com o conteúdo SE atingindo x =1,2 ou superior. Posteriormente, Su et al. fabricaram um SnSe ₂ MOSFET com alta corrente de drive (160 μA / μm) a 300 K com o mesmo resultado de nenhum estado “OFF” [13]. O principal motivo da dificuldade em obter o estado “DESLIGADO” do SnSe ₂ O dispositivo FET é a densidade de elétrons ultra-alta (10 ¹⁸ cm ⁻³ em massa SnSe ₂ , em comparação com 10 ¹⁶ cm ⁻³ no MoS ₂ ) [14, 15]. Portanto, modulação eficaz do transporte de portadores em SnSe ₂ FETs é um trabalho desafiador. Bao et al. desliguei com sucesso I _d e obteve uma relação liga / desliga de 10 ⁴ à temperatura ambiente ao usar HfO ₂ como uma porta traseira combinada com uma camada de cobertura superior de eletrólito de polímero. No entanto, o desempenho do SnSe ₂ não pode sobreviver a várias varreduras devido à transição estrutural irreversível causada por Li ⁺ intercalação no interlayer de SnSe ₂ [16]. Guo et al. alcançou uma relação liga / desliga de corrente mais alta de 10 ⁵ com uma tensão de limiar de - 100 V diluindo o SnSe ₂ floco a 6,6 nm [17]. No entanto, a temperatura de trabalho é de apenas 78 K, o que não é conveniente para a aplicação prática. Uma forma alternativa de aumentar a modulação do transporte de portadores em FETs é depositar uma camada dielétrica de alto k como uma porta superior, como HfO ₂ e Al ₂ O ₃ [18, 19]. No entanto, a alta temperatura de deposição mudará as propriedades de SnSe ₂ camada e deteriorar ainda mais o desempenho do dispositivo. O emprego de uma porta de eletrólito de polímero sólido para modular a densidade do portador é um método atraente devido ao controle altamente eficiente da dupla camada elétrica (EDL) formada na interface entre o eletrólito e o semicondutor [20,21,22]. Mas o lento processo de migração iônica requer taxas de varredura de baixa polarização para corresponder. Portanto, um método simples, eficiente e prático para modular as portadoras de SnSe ₂ é altamente exigente.

Neste trabalho, empregamos apenas uma gota de água desionizada (DI) como porta superior da solução e desligamos com sucesso a corrente do canal a 300 K. Além disso, a relação liga / desliga pode chegar a ~ 4 ordens controladas por uma pequena tensão de porta de menos de 1 V. Mais impressionante, o SnSe ₂ dispositivo exibe uma fotocondutividade positiva e negativa dependente de polarização interessante, na qual o possível mecanismo de funcionamento foi analisado.

Experiências

O SnSe ₂ o floco foi obtido a partir de cristais de alta qualidade por esfoliação mecânica. Em seguida, foi transferido para um wafer de Si coberto com 100 nm SiO ₂ . A esfoliação detalhada e o método de transferência são descritos no artigo de Huang [23]. Após a transferência, a microscopia óptica foi usada para identificar os flocos selecionados, e a espessura exata foi medida por microscopia de força atômica. O SnSe ₂ FETs foram fabricados por uma fotolitografia padrão. O contato Ti / Au (5/50 nm) foi depositado por evaporador térmico, seguido de recozimento in situ a 200 ° C em alto vácuo (10 ⁻⁵ Pa) para melhorar o contato metálico. Para FETs com barreira superior de água DI, uma camada de polímero adicional (polimetil metacrilato (PMMA) tipo 950 A5) foi depositada nos dispositivos (revestimento por rotação a 3000 rpm, espessura de ∼400 nm), cozido a 180 ° C por 2 minutos, e padronizado por fotolitografia UV para abrir janelas de contato entre a gota d'água e o canal do dispositivo.

A caracterização elétrica foi realizada por um medidor de fonte Keithley 2634B em uma estação de quatro sondas (Signatone). Um diodo laser com comprimento de onda de 532 nm foi empregado como fonte de luz com densidade de potência de 1 mW / mm ² para examinar o desempenho fotoelétrico do SnSe ₂ FET. O tempo de resposta foi registrado por um osciloscópio MDO3000.

As imagens ópticas foram obtidas em microscópio óptico (XTZ-2030JX com câmera CCD). O espectro Raman foi realizado no Renishaw no Microscópio Via Raman à temperatura ambiente com excitação de laser 532 nm. A caracterização de AFM foi feita por um microscópio de Bruker Multimode 8.

Resultados e discussão

A Figura 1a mostra um diagrama esquemático de SnSe ₂ Dispositivo FET. Os contatos são recobertos por uma camada de PMMA (tipo 950 A5) para isolá-los eletricamente da comporta superior, que consiste em uma gota de água DI pingada de uma pipeta. O dispositivo pode ser fechado por uma tensão de porta superior ( V _tg ) aplicada a um eletrodo em contato com a queda de água DI ou por uma tensão de porta traseira ( V _bg ) aplicado por meio do SiO ₂ Apoio, suporte. A imagem ótica de SnSe ₂ flocos com eletrodos padronizados são mostrados na Fig. 1b. A lacuna fonte-dreno é de cerca de 2 μm. A espectroscopia Raman foi usada para caracterizar SnSe ₂ material, como mostrado na Fig. 1c. O pico da impressão digital atinge 187 cm ⁻¹ e 112 cm ⁻¹ corresponde ao fora do plano A _1g modo e no plano E _g modo, respectivamente, que concorda bem com os relatórios de outros. No entanto, é difícil determinar a espessura para SnSe ₂ da posição do pico Raman. Ao contrário do MoS ₂ , a característica dependente da espessura da posição do pico Raman não é clara [24,25,26]. Portanto, adotamos a microscopia de força atômica (AFM) para medir a espessura do floco diretamente. Conforme mostrado na Fig. 1d, a espessura de SnSe ₂ o floco tem cerca de 34 nm.

Uma ilustração de SnSe ₂ dispositivo fototransistor e algumas caracterizações básicas sobre o SnSe ₂ Floco. a Ilustração esquemática de um SnSe ₂ dispositivo transistor de efeito de campo. b Imagem ótica de um SnSe ₂ floco com S e D denotando os eletrodos fonte e dreno em estudo, respectivamente. c Espectro Raman de um SnSe ₂ Floco. d Um perfil de altura extraído da linha pontilhada preta (mostrado na Fig. 1 b ) na medição AFM

A curva de saída do dispositivo FET sob diferentes tensões back gate medidas no escuro é mostrada na Fig. 2a. A relação linear e simétrica de I _d -V _ds demonstra um contato ôhmico entre os eletrodos Ti / Au e o SnSe ₂ canal. Na Fig. 2a, descobrimos que o efeito de modulação da condutividade de SnSe ₂ por back gate a tensão é muito pequena. A proporção de I _d entre a tensão da porta 30 e - 30 V é apenas 1,15 em V _ds de 50 mV. O atual eu _d na porta traseira, a tensão de - 30 V é tão grande quanto ~ 1,47 μA em V _ds de 5 mV, que não podia ser desligado pela tensão back gate. Mesmo aumentando a tensão de porta grande para 100 V ainda não colocou o canal em seu estado desligado, como resultado da triagem de potencial fechado pela densidade de portadores ultra-alta no SnSe ₂ , que foi relatado em trabalhos anteriores de Pan e Su [12, 13]. De acordo com a teoria dos semicondutores, podemos fazer uma estimativa grosseira da largura de depleção W de uma estrutura de metal-isolador-semicondutor (MIS), que é determinada por \ (W ={\ left (\ frac {2 {\ varejpsilon} _r {\ varejpsilon} _0 {\ varphi} _s} {e {N} _D } \ right)} ^ {1/2} \), onde φ _s é o potencial de superfície, N _D a concentração de impureza do doador, e ε ₀ e ε _r vácuo e permissividade relativa, respectivamente. Pegando φ _s , ε _r , N _D de 1 V, 9,97 e 1 × 10 ¹⁸ / cm ³ na equação como um cálculo conservador, a largura de depleção W tem cerca de 22 nm, que é muito menor do que a espessura do nosso SnSe ₂ floco (34 nm). Portanto, é fácil entender que não há depleção dos elétrons pela modulação da porta traseira.

Característica de saída e transferência de SnSe ₂ FET medido no escuro. eu _d versus V _sd característica de SnSe ₂ FET fechado em diferentes voltagens de back gating V _bg ( a ), em diferentes tensões de ativação superiores V _tg em escala linear ( b ), e em V diferente _tg em uma escala semilogista ( c ) eu _d versus V _tg característica de SnSe ₂ FET com V _sd variando de 2 mV a 10 mV em etapas de 2 mV desenhadas em uma escala semilogista, a inserção é um gráfico em escala linear de I _d -V _tg característica ( d )

Em notável contraste, ao usar água desionizada como portão superior, o I _d -V _ds A curva exibe uma modulação eficiente mesmo com uma polarização de porta pequena, como mostrado na Fig. 2b. A relação de corrente entre as tensões de porta de 0,4 V e - 0,8 V é mais do que 10 ³ , que é mais claramente visto na Fig. 2c desenhada em uma escala semilogista. As curvas de transferência sobre SnSe ₂ FET com porta superior são mostrados na Fig. 2d, que mostra um comportamento condutor típico do tipo n. A tensão varre da direção negativa para a direção positiva com uma taxa de varredura de 10 mV / s. Dupla camada elétrica (EDL) em líquido iônico ou eletrólito sólido possui uma alta capacitância e pode ser usada para obter um acoplamento de carga muito eficiente em materiais 2D e em camadas. No entanto, os processos lentos de transferência de carga devido aos íons grandes em tamanho e massa requerem taxas de varredura de polarização baixas para manter o equilíbrio na interface do canal de porta. Em contraste, ao usar água DI como uma camada dielétrica, tanto o H ⁺ e OH ^- os íons têm tamanho e massa menores e a água tem baixa viscosidade. Portanto, o gating de água DI através da camada dupla na interface de semicondutor de água suporta taxas de varredura de voltagem muito mais altas e responde mais rápido do que o gating de líquidos iônicos ou gating de eletrólito sólido. A inserção é um gráfico em escala linear de I _d -V _tg característica. Notavelmente, a água DI como uma porta superior melhora muito as características de transcondutância do SnSe ₂ FET. Como V _tg varia de - 0,8 a 0,4 V, I _d mudanças de 9,5 × 10 ⁻¹¹ para 7,6 × 10 ⁻⁷ A com uma relação de corrente liga / desliga de ∼ 10 ⁴ . A oscilação subliminar calculada a partir da característica de transferência é de ∼ 62 mV / década. Esses valores são bons o suficiente para a operação prática de baixa tensão de dispositivos FETs de calcogeneto de metal em camadas. A mobilidade μ pode ser calculado usando a seguinte equação:\ (\ mu =\ frac {d {I} _d} {d {V} _g} \ cdotp \ frac {L} {W {C} _ {H2O} {V} _ { sd}} \), onde L e W são o comprimento e a largura do canal ( L = 2 μm, W =5 μm), respectivamente, e C _H2O é a capacitância da porta de água DI por unidade de área. Aqui, a capacitância de C _H2O foi medido em 348 nF / cm ² , para o qual o cálculo detalhado é anexado ao material suplementar (Arquivo Adicional 1:Figuras S1a eb). A mobilidade de elétrons obtida é de 127 cm ² / Vs, que é muito bom em comparação com outros materiais 2D de poucas camadas. O efeito de modulação substancialmente melhorado realizado pela porta superior com água DI como uma camada dielétrica já foi relatado no trabalho de Huang [27]. Eles aplicaram a porta de água DI no SnS ₂ , MoS ₂ e BP descamam e atingem uma alta relação liga / desliga, oscilação ideal do sublimiar e excelente mobilidade. Eles atribuíram essas melhorias para proteger perfeitamente o floco dos adsorbatos ambientais e passivação dos estados de interface pelo alto- k dielétrico ( ε _{r (H2O)} =80). O efeito de passivação e triagem fornecido pela água DI é semelhante ao de outros materiais convencionais de alto dielétrico, como HfO ₂ ou Al ₂ O ₃ [18, 19]. Além disso, o acoplamento eficaz entre a água DI e o SnSe ₂ através das bordas do floco parece desempenhar um papel importante na obtenção de uma alta relação liga / desliga, mesmo para um floco espesso. Comparado com SiO ₂ back gating, DI water gating pode efetivamente reduzir a distância do campo elétrico (de alguns 100 nm para menos de 1 nm), então a tensão da porta de limiar também diminuiu de várias dezenas de volts para menos de 1 V. A partir da imagem inserida da Fig. 2d, a pequena corrente salta cerca de V _tg =0,4 V é possivelmente causado pela eletrólise da água DI devido à sua janela eletroquímica estreita, que foi relatada no trabalho de Huang [27].

A resposta fotoelétrica dependente do tempo do SnSe ₂ FET controlado por back ou top gating é mostrado na Fig. 3. Curiosamente, o SnSe ₂ FET mostra uma fotocorrente positiva em uma porta negativa e uma fotocorrente negativa em uma porta positiva, independentemente da porta de back gate via SiO ₂ ou do portão superior através da água DI. Na Fig. 3a, podemos ver que a magnitude da fotocorrente aumenta com o aumento da tensão negativa da porta traseira. Quando a tensão da porta traseira é - 80 V, a fotocondutividade relativa (definida como Δσ / σ ₀ , onde σ ₀ é a condutividade escura e Δσ é a diferença entre σ e σ ₀ ) é 5%. Ao usar água DI como porta superior, obtemos uma lei semelhante à mostrada na Fig. 3b. Com a tensão da porta superior configurada como - 0,4 V, a fotocondutividade relativa pode chegar a 6%. No entanto, é fácil ver que o tempo de resposta entre os dois tipos de portas é bem diferente. Para back gating com SiO ₂ como dielétrico, o tempo de resposta para a borda de subida é de cerca de 30 s. Já para o portão superior com água DI como dielétrico, o tempo de resposta é de apenas 1,7 s. Aqui, o tempo de subida de 10–90% (ou tempo de queda de 10–90%) é definido como o tempo de resposta. A velocidade de resposta muito mais rápida com portas de água DI deve estar relacionada à maior mobilidade da portadora (127 cm ² / Vs) devido à triagem eficaz de impureza ou dispersão de adsorbatos. Curiosamente, quando a tensão da porta é positiva, o SnSe ₂ filme exibe uma fotocondutividade negativa (NPC), como mostrado na Fig. 3c e d. Deve ser enfatizado que a fotocondutividade bipolar dependente da porta não é induzida pela corrente de fuga entre a porta e a fonte. Medimos a corrente de fuga de I _g ao aplicar uma polarização de porta positiva ou negativa, conforme mostrado no arquivo adicional 1:Figura S2. O sinal de eu _g segue a direção de V _gs e é exatamente o contrário do sinal de fotocorrente dreno para a fonte ( I _d ) Além disso, a magnitude de I _g é muito menor do que I _d , então seu impacto pode ser ignorado. Em NPC de SnSe ₂ FET com H ₂ Como dielétrico, existem duas características que são distintas da fotocondutividade positiva (PPC). Um é o valor absoluto da passagem de fotocondutividade relativa em V positiva _tg (~ 20%) é eminentemente maior do que a passagem em V negativo _tg (6%). O outro é o SnSe ₂ FET exibe um tempo de resposta muito mais longo (~ 30 s) em V positivo _tg do que em V negativo _tg (1,7 s).

Dependência do tempo da fotorresposta de SnSe ₂ FET tendencioso em V _sd =5 mV quando aplicado a diferentes voltagens de back gating negativas V _bg ( a ), tensões de ativação superiores negativas V _tg ( b ), tensões de retrocesso positivas V _bg ( c ), e tensões de ativação superiores positivas V _tg ( d )

O fenômeno da fotocondutividade negativa (NPC) foi relatado em várias nanoestruturas semicondutoras, como nanotubo de carbono, nanofio InAs e nanofio ZnSe [28,29,30] . A adsorção molecular e a foto-dessorção de oxigênio são geralmente sugeridas como responsáveis pelo efeito NPC. No entanto, tal explicação não se aplica ao nosso SnSe ₂ sistema, uma vez que a dessorção de oxigênio levaria apenas a uma maior concentração de elétrons e condutividade. Para entender o efeito NPC e a coexistência de NPC e PPC no SnSe ₂ , medimos o eu _d -V _tg curvas de SnSe ₂ FET sob iluminação, como mostrado na Fig. 4. Para uma comparação clara, as curvas de transferência no escuro também são adicionadas. Podemos ver que o dispositivo exibe uma fotocondutividade bipolar, que pode ser alterada pela tensão da porta. As curvas de transferência medidas sob iluminação e no escuro se cruzam quase em uma tensão de porta de 0 V. Portanto, o dispositivo mostra uma fotocondutividade positiva em uma polarização de porta negativa e uma fotocondutividade negativa em uma polarização de porta positiva, o que está de acordo com os resultados mostrado na Fig. 3. Como é bem conhecido, a condutividade σ é determinado como σ = neμ , onde n , e e μ são concentração de portadores, carga de elétrons e mobilidade, respectivamente. Assim, a condutividade é determinada pelo produto da concentração e mobilidade do portador. Na curva de transferência sob luz, a mudança de transcondutância g _m através da tensão de porta zero implica uma alteração da mobilidade. A partir das curvas de transferência, a mobilidade da iluminação e do escuro pode ser calculada conforme mostrado nas Tabelas 1 e 2. A mobilidade do SnSe ₂ no escuro tem cerca de 70 cm ² / Vs, enquanto a mobilidade sob iluminação tem dois valores:cerca de 60 cm ² / Vs na polarização negativa da porta e ~ 4 cm ² / Vs na polarização do portão positivo. Em V negativo _tg , a mobilidade do estado claro e escuro é quase a mesma, enquanto a concentração de portadores sob excitação de luz é maior do que no estado escuro. Portanto, o dispositivo exibe uma fotocondutividade positiva. Em V positivo _tg , a mobilidade é mais de uma ordem menor do que no caso de V negativo _tg , e a diminuição na mobilidade excede o aumento na concentração de portadores e domina a evolução da fotocondutividade. Assim, uma fotocondutividade negativa líquida ocorre em substituição à fotocondutividade positiva.

eu _d -V _tg característica de SnSe ₂ FET sob iluminação e no escuro

Pai-Chun Wei et al. encontraram efeito NPC em um pequeno intervalo de banda e filme InN degenerado e o atribuíram à depressão da mobilidade causada por espalhamento severo dos centros de recombinação carregados [31], que pode ser aplicado ao nosso SnSe ₂ sistema. Mas não está claro por que a mobilidade diminui quando a polarização do disparo faz a varredura da voltagem negativa para a positiva. Acreditamos que esse fenômeno se origine de alguns estados de lacuna. Os estados de intervalo podem ser causados por alguns defeitos pontuais, como vacâncias de Se. Sob iluminação, a lacuna está abaixo de E _f irá prender alguns orifícios fotogerados e se tornar centros de dispersão carregados positivamente. Com V _tg varredura da polarização negativa para a positiva, mais estados in-gap caindo abaixo de E _f tornam-se centros de dispersão carregados, levando a um declínio da mobilidade. Mais trabalho é necessário para entender completamente o mecanismo do NPC.

Conclusões

Em resumo, SnSe ₂ transistor de efeito de campo (FET) foi fabricado com base em SnSe ₂ flocos esfoliados de monocristal. Com uma gota de água como porta dielétrica superior, desligamos com sucesso o dispositivo com uma alta taxa de rejeição de corrente de ~ 10 ⁴ . Comparado com SiO ₂ porta dielétrica, a água DI pode melhorar eminentemente o comportamento de transporte do SnSe ₂ FET com uma oscilação ideal de subliminar de ∼ 62 mV / década e uma excelente mobilidade de elétrons de ~ 127 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ a 300 K. Especialmente, o SnSe ₂ O FET exibe fotocondutividade bipolar quando a polarização da porta superior faz a varredura de - 0,4 a + 0,4 V. A polaridade pode ser alterada pelo sinal da tensão da porta. Em uma polarização de porta negativa, a fotocondutividade positiva é dominada pelo aumento na concentração de portadores. Enquanto em uma tendência positiva, a fotocondutividade negativa é causada por uma queda acentuada de mobilidade. Uma competição entre a concentração de portadores e a mobilidade determina a evolução da fotocondutividade. Com um método de portal de solução fácil apresentado neste trabalho, o SnSe ₂ O FET demonstra excelentes propriedades elétricas e ao mesmo tempo apresenta uma interessante fotocondutividade comutável por polaridade, que abrirá uma nova forma de modulação para dispositivos optoeletrônicos de alto desempenho.

Abreviações

2D:: Bidimensional
AFM:: Força atômica microscópica
ALMs:: Materiais em camadas atômicas
DI:: Desionizado
FETs:: Transistores de efeito de campo
MIS:: Metal-isolador-semicondutor
NPC:: Fotocondutividade negativa
PMMA:: Metacrilato de polimetila
PPC:: Fotocondutividade positiva
TMDs:: Dichalcogenetos metálicos de transição

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