Huidige rectificatie in een structuur:ReSe2/Au-contacten aan beide zijden van ReSe2
Abstract
Schottky-effect van tweedimensionale materialen is belangrijk voor elektriciteit op nanoschaal. Een ReSe2 vlok wordt overgebracht om te worden opgehangen tussen een Au-sink en een Au-nanofilm. Dit apparaat is oorspronkelijk ontworpen om de transporteigenschappen van de ReSe2 . te meten vlok. In het experiment wordt echter een rectificatiegedrag waargenomen van 273 tot 340 K. De rectificatiecoëfficiënt is ongeveer 10. De microstructuur en de samenstelling van de elementen worden systematisch geanalyseerd. De ReSe2 vlok en de Au-film blijken in contact te zijn met het Si-substraat van het rasterelektronenmicroscoopbeeld in een schuin aanzicht van 45°. De ReSe2 /Si- en Si/Au-contacten zijn p-n heterojunctie en Schottky-contacten. Asymmetrie van beide contacten resulteert in het rectificatiegedrag. De voorspelling op basis van de thermionische emissietheorie komt goed overeen met experimentele gegevens.
Inleiding
Het rectificatiegedrag van metaal-halfgeleidercontacten, waarbij de stroom varieert met de richting van de aangelegde spanning, wordt veel gebruikt in Schottky-barrièrediode, veldeffecttransistor (FET) en metaaloxide-halfgeleider-FET. Schottky verklaarde het gedrag door uitputtingslagen aan de halfgeleiderzijde van dergelijke interfaces [1]. Verschillen in de werkfunctie van elektronen tussen metaal en halfgeleider leiden tot het rectificatiegedrag dat Schottky-effect wordt genoemd [2]. Het contact tussen metaal en tweedimensionale (2D) halfgeleidermaterialen is een Schottky-contact wanneer het metaal een hogere elektronenwerkfunctie heeft dan een n-type 2D halfgeleidermaterialen of een lagere elektronenwerkfunctie dan een p-type 2D-halfgeleider. Het Schottky-effect van metalen/2D-materialen heeft geweldige toepassingen in microfotodetectoren, micro-FET's, gassensoren en fototransistoren [3]. Van de 2D-materialen hebben overgangsmetaal-dichalcogeniden (TMD's) veel aandacht getrokken omdat ze een aanzienlijke bandgap [3] hebben en de bandgap van indirect naar direct overgaat naarmate de dikte wordt gereduceerd tot monolaag [4]. De bandgap zorgt ervoor dat TMD's voor veel toepassingen kunnen worden gebruikt, zoals FET's en zonnecellen [3]. TMD's kunnen ook worden gebruikt in thermo-elektrisch veld [5], dat veel aandacht heeft gekregen [6,7,8,9]. Er zijn veel experimenten gedaan om de eigenschappen en toepassingen van TMD's zoals MoS2 . te onderzoeken , MoSe2 , WSe2 , en WS2 . Lopez-Sanchez et al. [10] maakte ultragevoelige monolaag fototransistors met MoS2 . Britnel et al. [11] maakte een WS2 /grafeen heterostructuur en demonstreerde de toepassing ervan in fotovoltaïsche apparaten. WSe2 , als een ambipolaire halfgeleider, werd aangestuurd met dubbele elektrostatische poorten om een lichtemitterende diode te fabriceren [12, 13]. Onder TMD's, ReSe2 verschilt van andere TMD's van groep VI omdat ReSe2 behoort tot groep VII TMD's met een extra elektron in d orbitalen, wat leidt tot sterke anisotropie in het vlak [14]. Een paar onderzoeken hebben de elektrische eigenschappen van ReSe2 . onderzocht door zijn speciale bandstructuur. Huidige rectificatie wordt onderzocht met een ReSe2 /WS2 p-n heterojunctie [15] en ReSe2 /MoS2 pn heterojunctie [16]. FET is gemaakt om de elektrische eigenschappen van metaal/halfgeleidercontacten zoals ReSe2 . te onderzoeken /metal of ReS2 /metaal [17,18,19].
In deze brief een ReSe2 vlok wordt opgehangen over een Au-sink en een Au nanoribbon-elektrode. Het apparaat is oorspronkelijk ontworpen om de thermische en elektrische geleidbaarheid van de ReSe2 . te meten vlok. Metingen werden uitgevoerd bij 340 K, 310 K, 280 K en 273 K.
Methoden
Eerst werd het Si-substraat met Au-elektroden gefabriceerd. Het 400 μm dikke ongedoteerde Si-substraat werd geoxideerd tot een 180 nm dikke SiO2 laag na de eerste reiniging en een 320 nm dikke elektronenstraalresist werd afgezet op de SiO2 oppervlak door middel van spincoating. Au werd afgezet door fysieke dampafzetting om de Au-nano-elektroden en de Au-nanofilm te fabriceren in het patroon dat werd bereid door elektronenstraallithografie. Door het monster in de fotoresistontwikkelaar te plaatsen, werd de elektronenstraalresist geëtst en bleven de Au-elektrode en film over. Eindelijk, de SiO2 laag wordt geëtst door gebufferd fluorwaterstofzuur en de Si-laag onder de Au-nanofilm wordt geëtst door CF4 plasma om een zwevende nanofilm te fabriceren die zich ongeveer 6 m boven het Si-substraat bevindt.
ReSe2 vlokken werden gesynthetiseerd door chemische damp-overgang op een koperen substraat. Een ReSe2 vlok werd overgebracht naar de Au-elektroden om Au-ReSe2 . te fabriceren -Au contacten met behulp van de wetting transfer methode, waarbij de ReSe2 nanoribbon met het kopersubstraat werd gecoat met polymethylmethacrylaat (PMMA) en dreef op de etsoplossing om het kopersubstraat te etsen. Nadat het kopersubstraat was afgepeld, werd de met PPMA gecoate ReSe2 vlok werd nauwkeurig boven het Si-substraat bewogen met Au-nano-elektroden door het transferplatform met een vast punt. Vervolgens werd het PMMA met een laser gesneden en de PMMA-gecoate ReSe2 vlok landde om te worden opgehangen tussen de Au-nanofilm en de Au-nano-elektrode. Ten slotte werd het PMMA verwijderd door het monster gedurende 3 uur in een bad met kaliumhydroxideoplossing te dompelen. Het scanning elektronenmicroscoop (SEM) beeld van de gefabriceerde Au electrode-ReSe2 vlok-Au nanoribbon (Au-ReSe2 -Au) kruispunten in verticaal aanzicht naar het substraat worden getoond in Fig. 1a. De ReSe2 vlok was in contact met een Au-nanolint in sectie B en in contact met Au-elektrode in sectie C. Afbeelding 1b toont het schematische diagram van het apparaat.
een SEM-beeld van het apparaat in verticale weergave op het substraat en de positieve stroomrichting en b schematisch diagram van het meetapparaat
De richting langs A-B-C is gedefinieerd als positief, of vice versa, en er is een gelijkstroom aangelegd. De spanning, V , over de Au-ReSe2 -Au-juncties werden gemeten met een zeer nauwkeurige digitale multimeter (Keitheley 2002, 8,5 cijfers), terwijl de stroom, I , werd bepaald door de spanning over een referentieweerstand in serie te meten. De ik -V curven van de ReSe2 /Au-juncties voor voorwaartse en inverse spanning werden gemeten bij verschillende temperaturen in een meetsysteem voor fysieke eigenschappen (kwantumontwerp).
Resultaten en discussie
Afbeelding 2 toont de gemeten I -V krommen bij 273 K, 280 K, 310 K en 340 K. Significante asymmetrieën in de I -V curves worden waargenomen bij alle gemeten temperaturen, wat wijst op ongebruikelijk corrigerend gedrag. Stromen bij 277 mV en − 277 mV worden gebruikt om de huidige gelijkrichtverhouding bij elke temperatuur te berekenen, en de gelijkrichtverhouding is ongeveer 10. De stroom neemt toe met de temperatuur voor een gegeven spanning.
Stroom-spanningskarakteristieken van Au-ReSe2-Au-knooppunten bij 273 K, 280 K, 310 K en 340 K
Om het mechanisme te onderzoeken dat verantwoordelijk is voor de ongebruikelijke rectificatie, de microstructuur van de ReSe2 vlok werd gedetecteerd door een atomaire krachtmicroscoop [(AFM), Cypher, Oxford Instruments] en een Raman-spectrometer (Jovin Yvon T64000, excitatiegolflengte 532 nm). Het AFM-beeld van de ReSe2 vlok wordt getoond in Fig. 3a-c, en de bepaalde gemiddelde dikte is 28 nm op basis van het hoogteprofiel van de dwarsdoorsnede langs de witte lijn. Het Raman-spectrum bestaande uit maximaal 13 verwachte lijnen met hoge signaalsterkte wordt getoond in Fig. 3d, wat goed overeenkomt met het spectrum dat is gedetecteerd door Wolverson et al. [4] en het onthullen van de trikliene kristalstructuur van het huidige ReSe2 vlok.
een , b , en c AFM-beeld en dikte van ReSe2, en d Raman-spectrum en kristalstructuur van ReSe2
Afbeelding 4 is de SEM-afbeelding van de ReSe2 vlok in schuine weergave van 45° waaruit blijkt dat de ReSe2 vlok en de Au-nanofilm zijn in contact met het Si-substraat. ReSe2 -Au contact is het Ohmse contact getoond in eerdere studie [20] die niet verantwoordelijk is voor het rectificatiegedrag in dit experiment. Het circuit bestaat uit de Au-ReSe2 -Au en de Au-ReSe2 -Si-Au knooppunten. Figuur 5 toont het schema van het circuit. Het Si-Au-contact is het Schottky-contact [21] getoond.
SEM-afbeelding van de ReSe2 vlok en de Au-nanofilm in schuine weergave van 45°
Schema van het circuit
Afbeelding 6 toont de energiedispersieve spectroscopie (EDS)-gegevens. Het kaartsomspectrum van ReSe2 is verkregen in sectie 1 en 2. De gemiddelde chemische formule is ReSe1,67 die een hogere verhouding van Re heeft dan ReSe2 en geeft de ReSe2 vlok p-type halfgeleidereigenschappen. Daarom is de ReSe2 -Si contact is een p-n heterojunctie en vertoont het rectificatiegedrag. Asymmetrie van beide herstelcontacten resulteert in het herstelgedrag.
EDS-gegevens van ReSe2 staat in de rechterbovenhoek van de afbeelding. Vak 1 en 2 vertegenwoordigen twee gemeten secties
De stroom kan worden bepaald door de volgende vergelijking in zowel het Schottky-contact als de p-n heterojunctie [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)waar ik 0 is de verzadigingsstroom, q is de elektronische lading, k is de Boltzmann-constante, V is spanning aangelegd over de kruising, A is het contactgebied, A * is de effectieve Richardson-constante, Ф B is de schijnbare barrièrehoogte, en T is de meettemperatuur. De temperatuurafhankelijke idealiteitsfactor n vertegenwoordigt het niveau waarop het contact afwijkt van een ideaal Schottky-contact.
Een berekening op basis van Vgl. (1) is gemaakt om de analyse voor het rectificatiegedrag te onderzoeken. Stromen van de ReSe2 -Si contact, ik 1 , en de Si-Au-contactpersoon, I 2 , worden uitgedrukt door:
$$ {I}_1={I}_{01}{e}^{qV/{n}_1 kT}\left(1-{e}^{- qV/ kT}\right), $$ (3 ) $$ {I}_2={I}_{02}{e}^{- qV/{n}_2 kT}\left({e}^{qV/ kT}-1\right). $$ (4)Afbeelding 7 laat zien dat de numerieke resultaten goed overeenkomen met experimentele gegevens. De numerieke parameters worden weergegeven in Tabel 1. De omgekeerde verzadigingsstroom van de ReSe2 -Si-contact is groter dan het Si-Au-contact omdat het contactoppervlak van de ReSe2 -Si-contact is veel groter, zoals weergegeven in Fig. 4. De omgekeerde verzadigingsstroom van beide contacten neemt toe met de temperatuur, wat aangeeft dat de elektrische geleidbaarheid van beide contacten rectificatiegedrag vertoont, zoals weergegeven in Vgl. (2).
Vergelijking van ik -V curven van de experimentele resultaten en de berekende
De idealiteitsfactor van de ReSe2 -Si-contact is groter dan het Si-Au-contact vanwege verschillende contactomstandigheden en kristalstructuren. Afbeelding 4 laat zien dat het oppervlak van het Si-substraat ruw is vanwege de etsoplossing, waardoor de ReSe2 -Si contact inhomogeen. Het inhomogene contact leidt tot de grote idealiteitsfactor [24, 25]. Het ruwe oppervlak produceert ook een groot aantal vangtoestanden, wat resulteert in een grote idealiteitsfactor [26]. Bovendien maken verschillende contacttypes verschillende idealiteitsfactoren. De ReSe2 -Si contact is de p-n heterojunctie, en de ReSe2 en Si hebben verschillende kristalstructuren, triklinisch voor ReSe2 en facet-gecentreerd kubisch voor Si. De roostermismatch leidt altijd tot randdislocatie [27] en produceert een hoge dichtheid van traptoestanden [26], waardoor de ReSe2 -Si-contact wijkt af van het ideale contact en heeft een grote idealiteitsfactor [27]. De Si-Au is het metalen halfgeleidercontact en de kristalstructuur van Si heeft weinig effecten op de idealiteitsfactor. De idealiteitsfactoren van beide contacten veranderen weinig met de temperatuur. Het kan worden verklaard door Vgl. (5) zoals gerapporteerd door Khurelbaatar et al. [28],
$$ n=\frac{q}{kT}\frac{dV}{d\ln I}. $$ (5)Vergelijking (5) laat zien dat de idealiteitsfactor omgekeerd evenredig is met de temperatuur. De idealiteitsfactor neemt significant af met temperatuur alleen bij lage temperatuur en verandert langzaam wanneer de temperatuur hoger is dan 300 K [28, 29]. Zoals weergegeven in tabel 1 neemt de omgekeerde verzadigingsstroom echter aanzienlijk toe met de temperatuur die verschilt van de idealiteitsfactor. Het kan worden verklaard door Vgl. (2). Volgens vgl. (2), de omgekeerde verzadigingsstroom neemt toe met de temperatuur omdat T 2 en exp (− q ΦB /kT ) toenemen met de temperatuur. Vanwege de exponentiële relatie tussen exp (− q ΦB /kT ) en − qΦB /kT, exp (− q ΦB /kT ) neemt aanzienlijk toe met de temperatuur. Gebaseerd op het onderzoek van Zhu et al [30], q ΦB van het Au/Si-contact in het experiment bij 273 K en 295 K zijn respectievelijk 0,77 eV en 0,79 eV. De berekende resultaten laten zien dat de omgekeerde verzadigingsstroom bij 295 K zes keer zo groot is als de omgekeerde verzadigingsstroom bij 273 K, wat verklaart waarom de omgekeerde verzadigingsstroom aanzienlijk toeneemt met de temperatuur.
Conclusies
Concluderend wordt een rectificatiegedrag waargenomen in de contacten waar een ReSe2 vlok gesuspendeerd over Au-substraat en Au-nanofilm bij verschillende temperaturen. De SEM-afbeelding van de opgeschorte ReSe2 vlok in schuine weergave van 45° laat zien dat de ReSe2 vlok en de Au-nanofilm zijn in contact met het Si-substraat en de EDS-kaart illustreerde de elementensamenstelling, ReSe1,67 . Het contact tussen de ReSe2 vlok en het Si-substraat is verantwoordelijk voor het rectificatiegedrag. De ReSe2 -Si- en Si-Au-contacten zijn beide rectificatiecontacten die een ander circuit vormen, en asymmetrie van beide contacten resulteert in het schijnbare rectificatiegedrag. De berekende resultaten op basis van de Schottky-stroomvergelijking hielden rekening met het Si-Au Schottky-contact en de ReSe2 -Si p-n heterojunctie komt goed overeen met de resultaten van experimenten.
Afkortingen
- 2D:
-
Tweedimensionaal
- AFM:
-
Atoomkrachtmicroscoop
- EDS:
-
Energiedispersieve spectroscopie
- FET:
-
Veldeffecttransistor
- PMMA:
-
Polymethylmethacrylaat
- SEM:
-
Scanning elektronenmicroscoop
- TMD:
-
Overgangsmetaal dichalcogeniden
Nanomaterialen