悬浮MoS2离子液体顶栅场效应晶体管器件外文翻译资料

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悬浮MoS2离子液体顶栅场效应晶体管器件

Fenglin Wang,dagger; Petr Stepanov,dagger; Mason Gray,dagger; Chun Ning Lau,*,dagger; Mikhail E. Itkis,Dagger; and Robert C. Haddon*,Dagger;,

摘要 我们证实了少层悬浮MoS₂离子液体顶栅晶体管的可行性，这样的结构可使得离子聚集在MoS₂所暴露的正反两面。基于离子液体顶栅装置，所有的无基底支撑的MoS₂样品比有基底支撑的展现出更大程度的导电性能的改善。测量出的离子液体顶栅耦合系数高达，电输运数据也揭示了接触主导的电输运性能和肖特基发射的机制。通过调控离子液体顶栅，悬浮MoS₂器件显示出了金属-绝缘体的转变。我们的结果说明了这样悬浮的二维材料结构中可获得更多的有效感应电荷，如果加以优化，可产生极高的电荷密度和显著的相转变过程。

关键词 离子液体顶栅 悬浮结构 二硫化钼 金属-绝缘体转变

离子液体在室温下是一种包含可移动阳离子和阴离子的液态盐，研究表明其可作为有效的栅极电解液应用在不同材料上。^[1-7] 在外加电场下，阴阳离子在液体中将定向移动并聚集在样品表面形成双电层，此双电层本质是拥有极大电容纳米介质层的电容器。通过离子液体顶栅控制产生的电荷密度比传统硅背栅会多几个数量级。例如，在离子液体顶栅下的半导体碳管薄膜中可以观察到强烈的电调制间带激子转换，^[8] 以及20 nm超薄MoS₂纳米片中由离子液体顶栅调控得到的超高的电荷密度（约达）而产生的超导电性也被实验得到。^[4]

由于所有离子液体顶栅的实验都是在有基底支撑的器件上实施的，所以只有沟道材料往往只有一面暴露在液体中，这很大程度上限制了双电层形成的面积。另外一方面，悬浮样品器件结构也曾被广泛用于其他沟道材料中如碳纳米管^[9,10]和石墨烯^[11-15]中。除去样品下面的基底不仅可以减少来自Si/SiO₂层的额外影响，还能够利用离子液体顶栅来在样品背面原子层表面所形成的双电层作为另一条沟道。此外，离子液体相对较高的介电常数^[16]可以改善器件性能，这和之前所研究的同样拥有高介电常数顶栅材料HfO₂^[17-19]和Al₂O₃^{[20, 21]}很相似。因此，基于二维材料的离子液体顶栅悬浮结构器件是一个很有趣且目前还没被开发的研究。

在这篇文章中，我们提出了少层悬浮MoS₂离子液体顶栅晶体管。通过和有基底支撑的器件比较，在施加同样的离子液体顶栅条件下，这样的悬浮结构在电导和载流子迁移率上有着戏剧性的增强。电特性表明，在离子液体顶栅电压小于1 V时，在这些器件中的载流子输运是由二硫化钼和电极界面的肖特基发射主导的。我们估计离子液体顶栅的介电常数约为14.5，其悬浮结构器件的耦合效率可达，这比其他工作中有基底支撑的器件结构在相同情况下高出好几倍。最后，当离子液体顶栅变化时，我们还能观察到金属-绝缘体转变现象。我们的结果证实了悬浮器件结构可同时产生样品所暴露的正反两面双电层，而这样的结构也可拓展应用到其他二维材料中去。

少层MoS₂薄片从块体材料（块体MoS₂来源：合成的二维半导体晶体）中利用机械剥离法转移至Si/SiO₂基底上，其厚度可由原子力显微镜（AFM）或拉曼光谱测得图1a，b是5 nm厚MoS₂片的光学和AFM图像。MoS₂片与有薄薄的铬^[22]保护层覆盖的Ti/Au电极连接，并利用氢氟酸湿刻法将其与SiO₂层分开后放置于临界点干燥器中干燥。器件的宽度和长度分别是2.0和0.9 m。将一个作为离子液体集电极的“侧栅”导线置于离MoS₂片20 m的位置，利用控制变量法，一系列的有基底支撑的器件也被组装。在所有的测试中，离子液体集电极和样品间的漏电流小于0.1 nA。此悬浮结构器件的扫描电子显微镜图在图1c中显示。

将预组装器件在室温真空中环境中进行电学性能表征。图1d是不同背栅电压V_bg下典型器件的电流-电压（I-V）特性。从图中可以看出，预组装器件有很高的电阻，当背栅电压为10 V时，它的二端子电阻可达到10 MOmega;，从电导-背栅电压关系图（图1d内嵌图）可估算出场效应迁移率大约为2.1 cm²/ (V s)。事实上，预组装器件在300 K时的迁移率都被限制在0.01到10 cm²/ (V s)之间。

图1：（a，b）典型少层MoS₂薄片的光学图和原子力显微镜图，比例尺为2 。内嵌图为5 nm厚的截面测量图。（c）MoS₂器件的扫描电子显微镜图，比例尺为1 。（d） 预组装器件（没有离子液体顶栅）在背栅电压分别为为0 V（蓝线）、5 V（绿线）、10 V（红线）时的I-V特性曲线。内嵌图为电导率和背栅电压的关系图。

在最初性能表征之后，将一滴离子液体微滴（DEMETFSI，关东大化工有限公司）滴在器件上。通常悬浮结构器件在加完离子液滴后依样品然能够保持悬浮状态，而那些坍塌的结构可根据电导变为零来判断。图2a是离子液体顶栅器件的原理图解，图2b为其光学显微镜图。和预组装器件相比，加了离子液体的器件性能有着明显改善，即使在集电极没有加电压的情况下，电导也显著提高了三到四个 数量级，并且迁移率有所提高至46 cm²/ (V s)。由于加入离子液体而发生的电导戏剧性的改善暗示着离子液体屏蔽和修正了在金属和半导体界面间的肖特基势垒，而这样的势垒正是预组装器件中电导障碍所在。而迁移率的改善表明杂质电荷被非常接近的离子液体屏蔽了，因此电子散射便减少了。

离子液体顶栅悬浮器件的一个主要优势是离子可在MoS₂正背两面积累，因此使得样品的掺杂程度比有基底支撑的高。为了比较单侧和双侧液体顶栅的效应，我们测试了在零偏压情况，不同顶栅电压下，纳米片的电导变化（图2c）。尽管数据中有散射（在细观的样品中），大多悬浮纳米片的电导至少比有支撑的高1到2个数量级。显然，有两面暴露的悬浮结构器件比仅有一面的电导性高出很多，这也说明了双电层在两个暴露面都形成了。这种戏剧性的差别的机理会在后一个部分讨论到。

图2：（a，b）离子液体顶栅悬浮器件的原理图及光学显微镜图。（c）零偏压在不同顶栅电压的9个有基底支撑（蓝色）和9个悬浮的（红色）下薄片电导率。

为了理解悬浮离子液体顶栅器件的输运机制，我们在不同顶栅电压下测试了I-V特性曲线。图3a，b分别是温度为300 K和265 K时不同顶栅电压下的I-V曲线。当顶栅电压从0 V增长到3 V时，器件的电导率从1 提高到了180 ，这说明费米能级最初在带隙中，而后转移到了导带。当顶栅电压大于1 V时，I-V曲线由于相对较小的源漏极偏压（V lt; 0.1 V）而呈现线性（图3a，b），但是当偏压变大时，I-V即呈现非线性（图3a，b内嵌图）。

本征MoS₂器件的输运性能可由顶栅电压为0时的I-V曲线研究得到。图3c，d用图3a，b中的器件1和2的数据重新做了曲线图，利用公式将I-V改为I随变化的log线性比例。两个数据设置都使得I跨越4个数量级而下降形成一条完美的曲线，这说明I正比于。这样的关系可能有两种不同的机制^[23]引起的：（1）肖特基发射机制，是一种由热发射主导的金属-半导体界面的载流子输运过程；（2）弗兰克尔-普尔发射机制，即通过借助场增强热激发捕获电子进入半导体导带。两种机制可由一个公式解释：

Iexp []

其中，。这里e是元素电荷，和分别是真空状态和器件的介电常数，d是所加电场的距离，V是偏压，是势垒高度，是波兹曼常数，是一个常数，对于肖特基和弗兰克尔-普尔发射效应，分别为1和2。

为了区别两种输运机制，我们注意到肖特基发射发生在金属-MoS₂的界面，所以d是MoS₂薄片的厚度约为2-10 nm。相反，弗兰克尔-普尔发射通常发生在块体MoS2的横向面上，电场强度在样品长度方向下降，因此d为1 。利用等式1拟合图3c，d中的数据，我们得到a/k_BT₀的斜率为6.18和6.04，分别对应于器件1和器件2。两个器件的，所以排除了弗兰克尔-普尔发射作为主导输运机制的可能性，因为当d是1 时，会导致小于1，这不符合物理常数。我们因此推断离子液体顶栅MoS₂器件中的主导输运机制为金属-MoS₂界面的肖特基发射机制。事实上，肖特基势垒也非常可能主导了传统的以SiO₂为基底的样品的输运机制，同时其也构成了MoS₂场效应晶体管的迁移率瓶颈因素之一。

利用拟合出来的斜率值，以及器件1（器件2）的T0等于300 K（265 K）、d等于6.2 nm（10 nm），我们可以估算出器件1和2的分别为10.9和11.1。将看作是MoS₂、基底和覆盖物（即MoS₂片上下的离子液体）的平均介电常数，于是我们提取出了DEME-TFSI的介电常数在室温下为14.5，这和之前所报道的文献一致。^{[16, 24]}

图3 （a，b）在顶栅电压为0（蓝色），1（绿色），2（橙色）和3 V（红色）时器件的I-V特性曲线（器件1在300 K温度下，器件2在265 K温度下）。内嵌图为更大偏压下顶栅电压为0时的I-V特性曲线。（c，d）重新绘制的I-V数据图。

通过提取出的值，我们可以用alpha;/beta;估算出离子液体顶栅产生的电荷密度，这里的alpha;和beta;分别为离子液体顶栅和背栅的耦合效率。为此，我们在室温下给样品施加了一个顶栅电压值，并确保足够的时间使其到达平衡状态，然后保持同样的顶栅电压将样品冷却到150 K。图4a是器件的G（V_ILg）在温度为265 K时的关系图。当离子液体在200 K冻结时，由离子液体感应的电荷密度保持恒定，但是此时施加背栅电压时，载流子的电荷密度将再次被调控。在150 K时，作出不同的顶栅电压V_ILg下的G（V_bg）曲线之后后比较能够感应出相同倍数电导变化的栅极电压，即可推算得到alpha;/beta;的比率（图4b，c）。例如，图4b是G（V_bg）曲线在顶栅电压分别为2.4，2.2和2.0时的线性部分。（Delta;G/Delta;V_bg）约等于2.4 mu;S/V，而（Delta;G/Delta;V_ILg）=217 mu;S/ (0.2 V) = 1085 mu;S/V。因此在平均值V_ILg为2.3 V时，alpha;/beta;的比值为450。顶栅电压从0到2.3 V时，计算出的alpha;/beta;比值在图4d中显示。当器件在顶栅电压大于2 V时高度掺杂，alpha;/资料编号：[152146]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word