Junções ReSe2–Au Mostram Forte Retificação entre 273–340 K

Resumo

O efeito Schottky de materiais bidimensionais é importante para nanoeletrônica. Um floco de ReSe₂ é transferido para ficar suspenso entre um dissipador Au e um nanofilme Au. Este dispositivo foi inicialmente projetado para medir propriedades de transporte do floco de ReSe₂. No entanto, comportamento de retificação é observado no experimento de 273 a 340 K. O coeficiente de retificação é cerca de 10. Microestrutura e composição elementar são analisadas sistematicamente. O floco de ReSe₂ e o filme Au são encontrados em contato com o substrato Si a partir de imagem de microscópio eletrônico de varredura em visão oblíqua de 45°. Os contatos ReSe₂/Si e Si/Au são heterojunção p-n e contatos Schottky. Assimetria de ambos contatos resulta no comportamento de retificação. A previsão baseada na teoria de emissão termiônica concorda bem com dados experimentais.

Introdução

Comportamentos de retificação de contatos metal-semicondutor, onde a corrente varia com direção da tensão aplicada, são amplamente usados em diodo de barreira Schottky, transistor de efeito de campo (FET) e FET metal-óxido-semicondutor. Schottky explicou o comportamento por camadas de depleção no lado do semicondutor de tais interfaces. Diferenças de função de trabalho eletrônica entre metal e semicondutor levam ao comportamento de retificação chamado efeito Schottky. O contato entre metal e materiais semicondutores bidimensionais (2D) é um contato Schottky quando o metal tem função de trabalho eletrônica maior que semicondutor 2D tipo n ou menor que semicondutor 2D tipo p. O efeito Schottky de metal/materiais 2D tem grandes aplicações em micro-fotodetectores, micro-FETs, sensores de gás e fototransistores. Entre materiais 2D, dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) atraíram muita atenção porque têm banda proibida considerável e a banda transita de indireta para direta quando espessura reduzida a monocamada. A banda proibida garante que TMDs podem ser usados para muitas aplicações, i.e., FETs e células solares. TMDs também podem ser usados em campo termoelétrico, atraindo ampla atenção. Muitos experimentos exploraram propriedades e aplicações de TMDs como MoS₂, MoSe₂, WSe₂ e WS₂. Lopez-Sanchez et al. fizeram fototransistores monocamada ultrasensíveis com MoS₂. Britnell et al. fizeram heterestrutura WS₂/grafeno e demonstraram aplicação em dispositivo fotovoltaico. WSe₂, como semicondutor ambipolar, foi controlado com portas eletrostáticas duplas para fabricar diodo emissor de luz. Entre TMDs, ReSe₂ difere de outros TMDs grupo VI porque ReSe₂ pertence a TMDs grupo VII com elétron extra em orbitais d, levando a forte anisotropia no plano. Poucos estudos exploraram propriedades elétricas de ReSe₂ devido à sua estrutura de banda especial. Retificação de corrente é explorada com heterojunção p-n ReSe₂/WS₂ e ReSe₂/MoS₂. FET é feito para investigar propriedades elétricas de contatos metal/semicondutor como ReSe₂/metal ou ReS₂/metal.

Nesta carta, um floco de ReSe₂ é suspenso através de dissipador Au e eletrodo nanofita Au. O dispositivo foi originalmente projetado para medir condutividades térmica e elétrica do floco de ReSe₂. Medidas foram realizadas a 340 K, 310 K, 280 K e 273 K.

Métodos

Primeiramente, substrato Si com eletrodos Au foi fabricado. Substrato Si não dopado de 400 μm foi oxidado para formar camada SiO₂ de 180 nm após limpeza inicial, e resisto de feixe de elétrons de 320 nm foi depositado na superfície SiO₂ por spin coating. Au foi depositado por deposição física de vapor para fabricar nanoeletrodos Au e nanofilme Au no padrão preparado por litografia de feixe de elétrons. Colocando amostra no revelador de fotorresisto, o resisto de feixe de elétrons foi gravado e eletrodo Au e filme permaneceram. Por fim, camada SiO₂ é gravada por ácido fluorídrico tamponado e camada Si sob nanofilme Au é gravada por plasma CF₄ para fabricar nanofilme suspenso cerca de 6 μm acima do substrato Si.

Flocos de ReSe₂ foram sintetizados por transição químico-vapor em substrato de cobre. Um floco de ReSe₂ foi transferido para eletrodos Au para fabricar contatos Au-ReSe₂-Au usando método de transferência por umedecimento, no qual nanofita ReSe₂ com substrato de cobre foi revestida por polimetilmetacrilato (PMMA) e flutuada sobre solução de gravação para gravar substrato de cobre. Após substrato de cobre ser removido, floco ReSe₂ revestido com PMMA foi movido com precisão acima do substrato Si com nanoeletrodos Au por plataforma de transferência de ponto fixo. Então, PMMA foi cortado por laser e floco ReSe₂ revestido com PMMA pousou suspenso entre nanofilme Au e nanoeletrodo Au. Finalmente, PMMA foi removido mergulhando amostra em banho de solução de hidróxido de potássio por 3 h. Imagem de microscópio eletrônico de varredura (MEV) das junções Au-eletrodo-ReSe₂ floco-Au nanofita (Au-ReSe₂-Au) fabricadas em visão vertical ao substrato é mostrada na Fig. 1a. O floco ReSe₂ estava em contato com nanofita Au na seção B e em contato com eletrodo Au na seção C. Figura 1b mostra diagrama esquemático do dispositivo.

a Imagem MEV do dispositivo em visão vertical ao substrato e direção de 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 corrente contínua foi aplicada. A tensão, V, através das junções Au-ReSe₂-Au foi medida por multímetro digital de alta precisão (Keithley 2002, 8,5 dígitos), enquanto corrente, I, foi determinada medindo tensão através de resistor de referência em série. Curvas I-V das junções ReSe₂/Au para tensão direta e inversa foram medidas em diferentes temperaturas em sistema de medição de propriedades físicas (quantum design).

Resultados e Discussão

Figura 2 mostra curvas I-V medidas a 273 K, 280 K, 310 K e 340 K. Assimetrias significativas nas curvas I-V são observadas em todas as temperaturas medidas, indicando comportamento retificador incomum. Correntes a 277 mV e −277 mV são usadas para calcular razão de retificação de corrente em cada temperatura, e razão retificadora é cerca de 10. A corrente aumenta com temperatura para uma dada tensão.

Características corrente-tensão de junções Au-ReSe2-Au a 273 K, 280 K, 310 K e 340 K.

Para explorar mecanismo responsável pela retificação incomum, microestrutura do floco ReSe₂ foi detectada por microscópio de força atômica [(AFM), Cypher, Oxford Instruments] e espectrômetro Raman (Jovin Yvon T64000, comprimento de onda excitação 532 nm). Imagem AFM do floco ReSe₂ é mostrada na Fig. 3a–c, e espessura média determinada é 28 nm baseada no perfil de altura transversal ao longo da linha branca. Espectro Raman consistindo de até 13 linhas esperadas com alta intensidade de sinal é mostrado na Fig. 3d, correspondendo bem com espectro detectado por Wolverson et al. e revelando estrutura cristalina triclínica do floco ReSe₂ presente.

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

Figura 4 é imagem MEV do floco ReSe₂ em visão oblíqua de 45° mostrando que floco ReSe₂ e nanofilme Au estão em contato com substrato Si. Contato ReSe₂-Au mostrou contato Ôhmico em estudo prévio, não responsável pelo comportamento de retificação neste experimento. O circuito é constituído de Au-ReSe₂-Au e Au-ReSe₂-Si-Au. Figura 5 mostra esquemático do circuito. Contato Si-Au mostrou contato Schottky.

Imagem MEV do floco ReSe₂ e nanofilme Au em visão oblíqua de 45°.

Esquemático do circuito.

Figura 6 mostra dados de espectroscopia dispersiva de energia (EDS). Espectro de soma de mapa de ReSe₂ é adquirido nas seções 1 e 2. Fórmula química média é ReSe_1.67 que tem razão Re maior que ReSe₂ e dá ao floco ReSe₂ propriedades semicondutoras tipo p. Portanto, contato ReSe₂-Si é heterojunção p-n e exibe comportamento de retificação. Assimetria de ambos contatos retificadores resulta no comportamento de retificação.

Dados EDS de ReSe₂ no canto superior direito da imagem. Caixas 1 e 2 representam duas seções medidas.

A corrente pode ser determinada pela seguinte equação tanto no contato Schottky quanto na heterojunção p-n:

$$ I={I}_0{e}^{qV/ nkT}\left(1-{e}^{- qV/ kT}\right) $$ (1) $$ {I}_0={AA}^{\ast }{T}^2{e}^{-q{\Phi}_B/ kT} $$ (2)

onde I₀ é corrente de saturação, q carga eletrônica, k constante de Boltzmann, V tensão aplicada através da junção, A área de contato, A^* constante efetiva de Richardson, Ф_B altura aparente da barreira, e T temperatura de medição. Fator de idealidade dependente de temperatura n representa nível que contato se afasta de contato Schottky ideal.

Cálculo baseado na Eq. (1) é feito para examinar análise do comportamento de retificação. Correntes do contato ReSe₂-Si, I₁, e contato Si-Au, I₂, são expressas 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)

Figura 7 mostra que resultados numéricos concordam bem com dados experimentais. Parâmetros numéricos mostrados na Tabela 1. Corrente de saturação reversa do contato ReSe₂-Si é maior que contato Si-Au porque área de contato do ReSe₂-Si é muito maior como mostrado na Fig. 4. Corrente de saturação reversa de ambos contatos aumenta com temperatura, indicando que condutividades elétricas de ambos contatos exibem comportamento de retificação como mostrado na Eq. (2).

Comparação de curvas I-V dos resultados experimentais e calculados.

Fator de idealidade do contato ReSe₂-Si é maior que contato Si-Au devido a diferentes condições de contato e estruturas cristalinas. Figura 4 mostra que superfície do substrato Si é rugosa devido à solução de gravação, tornando contato ReSe₂-Si inhomogêneo. Contato inhomogêneo leva a grande fator de idealidade. Superfície rugosa também produz grande número de estados de armadilha resultando em grande fator de idealidade. Adicionalmente, diferentes tipos de contato fazem diferentes fatores de idealidade. Contato ReSe₂-Si é heterojunção p-n, e ReSe₂ e Si têm diferentes estruturas cristalinas, triclínica para ReSe₂ e cúbica de faces centradas para Si. Descompasso de rede sempre leva a discordância de borda e produz alta densidade de estados de armadilha, fazendo contato ReSe₂-Si desviar do contato ideal e ter grande fator de idealidade. Si-Au é contato metal-semicondutor, e estrutura cristalina de Si tem poucos efeitos no fator de idealidade. Fatores de idealidade de ambos contatos mudam pouco com temperatura. Pode ser explicado pela Eq. (5) relatado por Khurelbaatar et al.,

$$ n=\frac{q}{kT}\frac{dV}{d\ln I}. $$ (5)

Equação (5) mostra que fator de idealidade é inversamente proporcional à temperatura. Fator de idealidade diminui significativamente com temperatura apenas em baixa temperatura e muda lentamente quando temperatura acima de 300 K. No entanto, como mostrado na Tabela 1, corrente de saturação reversa aumenta significativamente com temperatura, diferente do fator de idealidade. Pode ser explicado pela Eq. (2). Segundo Eq. (2), corrente de saturação reversa aumenta com temperatura porque T² e exp (− qΦ_B/kT) aumentam com temperatura. Devido à relação exponencial entre exp (− qΦ_B/kT) e − qΦ_B/kT, exp (− qΦ_B/kT) aumenta significativamente com temperatura. Baseado em pesquisa de Zhu et al, qΦ_B do contato Au/Si no experimento a 273 K e 295 K são 0,77 eV e 0,79 eV, respectivamente. Resultados calculados mostram que corrente de saturação reversa a 295 K é seis vezes a corrente de saturação reversa a 273 K, explicando por que corrente de saturação reversa aumenta significativamente com temperatura.

Conclusões

Em conclusão, comportamento de retificação é observado nos contatos onde floco ReSe₂ suspenso através de substrato Au e nanofilme Au em diferentes temperaturas. Imagem MEV do floco ReSe₂ suspenso em visão oblíqua de 45° mostra que floco ReSe₂ e nanofilme Au estão em contato com substrato Si e mapa EDS ilustrou composição elementar, ReSe_1.67. Contato entre floco ReSe₂ e substrato Si é responsável pelo comportamento de retificação. Contatos ReSe₂-Si e Si-Au são ambos contatos retificadores formando outro circuito, e assimetria de ambos contatos resulta no comportamento de retificação aparente. Resultados calculados baseados na equação de corrente Schottky considerando contato Schottky Si-Au e heterojunção p-n ReSe₂-Si concordam bem com resultados experimentais.

Abreviações

2D:

Bidimensional

AFM:

Microscópio de força atômica

EDS:

Espectroscopia dispersiva de energia

FET:

Transistor de efeito de campo

PMMA:

Polimetilmetacrilato

MEV:

Microscópio eletrônico de varredura

TMD:

Dicalcogenetos de metais de transição

Contato Schottky Mo/Au em Filme Fino de β-Ga2O3: Insights Experimentais e Teóricos sobre Transporte em Polarização Reversa e Características de Ruptura Incorporação Eficiente de Nitrogênio em Nanofios de GaP via Crescimento VLS Catalisado por Au Usando UDMH