Conversie van meerlaagse MoTe2-transistor tussen P-type en N-type en hun gebruik in omvormer

Resultaten en discussie

Anders dan de eerder gerapporteerde meerlaagse MoTe₂ transistor, wordt ons apparaatdiagram getoond in Fig. 1a. We fabriceren eerst source-drain (SD) elektroden samengesteld uit Cr/Au-film op SiO₂ /p ⁺ -Si-substraat. Dan, een van de meerlaagse MoTe₂ monsters bereid op een andere SiO₂ / p ⁺ -Si-substraat wordt overgebracht om de source-drain-elektroden als transistorkanaal te overbruggen. De MoTe₂ monster dat met deze methode is gemaakt, is schoon en vrij van polymeerverontreiniging bij de fabricage van het apparaat. Bovendien is de hele MoTe₂ het monster wordt blootgesteld aan de lucht, inclusief het kanaal en het contactgedeelte, waardoor het gemakkelijker wordt om absorbaten te verwijderen en intrinsieke geleiding van meerlaagse MoTe₂ te verkrijgen transistor. Een optisch beeld van een gefabriceerde meerlaagse MoTe₂ transistor wordt getoond in Fig. 1b, met een kanaallengte van 10 μm. De MoTe₂ kanaal wordt gekenmerkt door atomaire krachtmicroscopie (AFM) (zie figuur 1c). Hoogteprofiel (zie Fig. 1d) verkregen uit het merkteken in AFM-afbeelding geeft aan dat de dikte van MoTe₂ monster is ongeveer 17 nm (samengesteld uit 24 monolaag MoTe₂ ) [40]. De karakteristieke Raman-actieve modi van A_1g (172 cm ⁻¹ ), E ¹ _2g (233 cm ⁻¹ ), en B ¹ _2g (289 cm ⁻¹ ) worden duidelijk waargenomen zoals weergegeven in Fig. 1e, wat de goede kwaliteit van 2H-MoTe₂ aangeeft na het overdrachtsproces [41].

Meerlaagse MoTe₂ transistor en zijn eigenschappen. een Illustratie van MoTe₂ transistordiagram. b Optisch beeld van een van de gefabriceerde transistors bestaande uit meerlagige MoTe₂ kanaal en SD Cr/Au-elektroden. c AFM-afbeelding van het transistorkanaal in b . d Hoogteprofiel van de meerlaagse MoTe₂ . e Raman-spectrum van de meerlagige MoTe₂ in het transistorkanaal

De gefabriceerde back-gated meerlagige MoTe₂ transistors worden gemeten met Agilent B1500A halfgeleideranalysator in Lakeshore-sondestation, dat kan worden gepompt tot een basisdruk van 1 × 10 ⁻⁵ mbar en realiseer 9~350 K temperatuuraanpassing. Afbeelding 2 toont de elektrische eigenschappen van een meerlaagse MoTe₂ transistor in lucht bij kamertemperatuur (RT). De overdrachtskarakteristieken bij source-drain spanning V _sd =-1 V in Fig. 2a laat zien dat de transistor in de aan-toestand is bij een negatieve poortspanning en in de uit-toestand bij een positieve poortspanning. De transformatiespanning van aan-naar-uit-toestand is bijna nul, wat een typische p-type transistorkarakteristiek is. Replica-metingen tonen dezelfde elektrische poortkenmerken (zie aanvullend bestand 1:Afbeelding S1). Vier andere meerlaagse MoTe₂ transistors vertonen ook vergelijkbare p-type elektrische poortkarakteristieken zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:Afbeelding S2. We bereiden ook andere apparaten voor met diktes van 5 nm, 38 nm en 85 nm, zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:Afbeelding S3. Wanneer de MoTe₂ diktes zijn 5 nm en 38 nm, beide voorbereide apparaten vertonen p-type geleiding maar met een kleine stroomsterkte vergeleken met het apparaat in figuur 2 en aanvullend bestand 1:figuur S2. Naarmate de dikte toeneemt tot 85 nm, verdwijnt het gating-effect zoals weergegeven in aanvullend bestand 1:Afbeelding S3 (l). Deze gegevens laten zien dat p-type conductantie universeel is in lucht voor meerlaagse MoTe₂ transistor. Uit de overdrachtskenmerken in figuur 2a kunnen we de aan-uit-verhouding, subthreshold swing (SS) en field-effect mobility (μ) verkrijgen, die 6 × 10 ³ zijn , 350 mV/dec en 8 cm ² /V·s, respectievelijk.

Elektrische eigenschappen van meerlagige MoTe₂ transistor in lucht bij RT. een Overdrachtskenmerken van MoTe₂ transistor op V _sd = 1 V in lucht. b Uitgangskenmerken van MoTe₂ transistor op V _bg = − 20 V, − 15 V, − 10 V, − 5 V, 0 V en 5 V. c Overdrachtskenmerken van MoTe₂ transistor op verschillende V _sd . d Aan-stroom, uit-stroom en aan-uit stroomverhouding als functie van V _sd

Afbeelding 2b toont de uitvoerkenmerken van meerlagige MoTe₂ transistor bij back-gate spanning V _bg = − 20 V, − 15 V, − 10 V, − 5 V, 0 V en 5 V. Zoals te zien is, is de respons in wezen lineair, vooral bij een lage voorspanning van V _sd , wat aangeeft dat er een verwaarloosbare effectieve Schottky-barrièrehoogte is (Φ _SB ) tussen Au en MoTe₂ in de lucht. De overdrachtskarakteristieken bij verschillende source-drain vooringenomen spanningen zoals weergegeven in figuur 2c geven aan dat de aan-stroom lineair toeneemt met vooringenomen spanning V _sd , getoond in Fig. 2d, die samenvalt met de outputkenmerken. Ondertussen neemt de uit-stroom toe en neemt de aan-uit-verhouding af als V _sd neemt toe. Dit kan worden toegeschreven aan de trapstatus in MoTe₂ kanaal van absorbeert en interface staat. De hysterese in overdrachtskenmerken (zie Aanvullend bestand 1:Afbeelding S4) bevestigt verder het bestaan ​​van de trapstatus in MoTe₂ transistor [42,43,44,45].

We onderzoeken verder de p-type conductantie van meerlagige MoTe₂ transistor bij verschillende vacuüms. Dit is nuttig om de invloed van geabsorbeerde zuurstof en water op de ladingstransporteigenschappen te begrijpen. Afbeelding 3a toont de overdrachtskenmerken bij V _sd = 1 V als functie van vacuüm ("atm" komt overeen met atmosfeer). De belangrijkste veranderende tendensen worden duidelijk aangegeven door rode pijlen, die vergelijkbaar is met die getoond in koolstofnanobuisjestransistor [44]. Ten eerste neemt de aan-stroom af naarmate het vacuüm toeneemt, wat gedeeltelijk te wijten is aan de verschuiving van de drempelspanning veroorzaakt door absorbaten, maar voornamelijk als gevolg van de toename van de apparaatweerstand naarmate de absorbaten afnemen, inclusief kanaal- en contactweerstand. De niet-lineaire uitgangskarakteristieken zoals weergegeven in figuur 3b geven de verbeterde effectieve Schottky-barrière tussen Au en MoTe₂ aan in 2,9 × 10 ⁻⁵ mbar vacuüm, wat suggereert dat de effectieve Schottky-barrièrehoogte wordt gewijzigd door absorbaten in lucht. Ten tweede neemt de uit-stroom bij positieve spanningspoorten toe met het vacuüm, wat betekent dat de elektronengeleiding toeneemt naarmate de absorbaten afnemen en suggereert dat n-type geleiding wordt onderdrukt in meerlagige MoTe₂ transistor door absorbeert in lucht.

P-type elektrische eigenschappen van meerlagige MoTe₂ transistor in vacuüm. een RT-overdrachtskenmerken van een p-type MoTe₂ transistor op V _sd = 1 V als functie van vacuüm. b RT-uitgangskarakteristieken van een p-type MoTe₂ transistor op verschillende V _bg in 2,9 × 10 ⁻⁵ mbar vacuüm

Hoewel de aan-stroom afneemt en de uit-stroom toeneemt na het elimineren van gedeeltelijke absorpties in vacuüm, is de meerlagige MoTe₂ transistor vertoont nog steeds p-type geleiding. Bovendien blijft de p-type geleiding op een lage temperatuur, zoals weergegeven in figuur 4a. Deze temperatuurafhankelijke elektrische eigenschap helpt ons om het ladingstransportmechanisme verder op te helderen en de effectieve Schottky-barrièrehoogte van p-type MoTe₂ te extraheren. transistor. Afbeelding 4a geeft de overdrachtskarakteristieken bij voorgespannen spanning V _sd = 1 V als de temperatuur varieert van 20 tot 275 K. Zowel aan-stroom als uit-stroom nemen af ​​naarmate de temperatuur daalt, en de aan-uit-verhouding neemt toe bij lage temperaturen, zoals weergegeven in figuur 4b. Arrhenius-plot van de source-drain stroom I _sd bij back-gate spanning V _sd = − 20 V en 20 V in Fig. 4c geven de thermische emissie en tunnelingbijdrage aan voor ladingstransport [46]. Wanneer de temperatuur hoger is dan 100 K, wordt een duidelijk thermisch emissiegebied waargenomen in zowel negatieve als positieve poortspanningen, en de tunnelstroom domineert wanneer de temperatuur lager is dan 100 K. Dat is de reden waarom zowel aan-stroom als uit-stroom afnemen naarmate de temperatuur daalt . Gebaseerd op de thermische emissiestroomwaarneming en de relatie van \( {I}_{\mathrm{sd}}\sim {e}^{-{q\varPhi}_{SB}/ kT\operatorname{}} \) , waar k is de Boltzmann-constante en T temperatuur is, extraheren we de effectieve Schottky-barrièrehoogte Φ _SB als functie van poortspanning bij V _sd = 1 V, zoals weergegeven in figuur 4d. De effectieve Schottky-barrièrehoogten Φ _SB in zowel aan- als uit-toestand zijn kleiner dan 120 mV.

Temperatuurafhankelijke elektrische eigenschappen van een p-type meerlagige MoTe₂ transistor. een Overdrachtskenmerken van MoTe₂ transistor op V _sd = 1 V als functie van de temperatuur. b Aan-stroom, uit-stroom en aan-uit stroomverhouding als functie van de temperatuur. c Arrhenius-grafiek van de source-drain-stroom als functie van de temperatuur bij V _sd = 1 V en V _bg =20 V en 20 V, respectievelijk. d Kaarten van effectieve Schottky-barrièrehoogten Φ _SB als functie van back-gate spanning

Vacuüm en lage temperatuur maken het moeilijk om de absorbaten volledig te desorberen. De resterende absorbaten werken nog steeds en veranderen de geleidbaarheid van meerlagige MoTe₂ transistor. Om de absorbaten op MoTe₂ . verder te desorberen transistor, verwarmen we het apparaat tot 350 K in vacuüm en voeren we in situ metingen van elektrische eigenschappen uit. Afbeelding 5a toont de overdrachtskenmerken van MoTe₂ transistor terwijl deze wordt verwarmd van 250 tot 350 K. Zoals te zien is, wordt de elektronengeleiding bij positieve poortspanning verbeterd, terwijl de gatengeleiding bij negatieve poortspanning wordt verminderd naarmate de temperatuur stijgt. Bij temperatuur T = 250 K, het apparaat vertoont een typische p-type geleiding. Maar wanneer de temperatuur stijgt tot T = 350 K, wordt het apparaat omgezet naar het n-type, dat zich in de uit-toestand bevindt bij negatieve poortspanning en in de aan-toestand bij positieve poortspanning. De aan-uit-verhouding, subthreshold swing (SS) en field-effect mobility (μ) zijn 3,8 × 10 ² , 1,1 V/dec en 2 cm ² /V·s, respectievelijk.

De overdrachtskenmerken van meerlagige MoTe₂ transistor als functie van temperatuur in vacuüm

De n-type conductantie van een MoTe₂ transistor is stabiel in vacuüm. Het apparaat wordt in 2 × 10 ⁻⁵ . in het sondestation bewaard mbar vacuüm bij kamertemperatuur gedurende 12 uur na verwarming. Vervolgens worden de metingen van elektrische eigenschappen uitgevoerd. Zoals getoond in figuur 6a, zijn de overdrachtskarakteristieken nog steeds in de uit-toestand bij negatieve poortspanning en in de aan-toestand bij positieve poortspanning, wat typische n-type transistoreigenschappen aantoont. Soortgelijke transformaties worden gerealiseerd in de andere twee voorbeelden, zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S5 (a) en (b). Verder gloeien we twee monsters bij 523 K met behulp van een chemisch dampafzettingssysteem op hoge temperatuur gedurende 2 uur in Ar-gas bij een vacuüm van 3 mbar. Ze veranderen allebei van p-type in n-type, zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S5 (c) en (d). Afbeelding 6b toont de uitvoerkenmerken van een n-type MoTe₂ transistor bij verschillende back-gate-spanningen, wat duidelijk niet-lineair is, vooral bij lage voorgespannen spanning V _sd , anders dan die in Fig. 3b, wat wijst op het bestaan ​​van een verbeterde effectieve Schottky-barrièrehoogte tussen MoTe₂ en Au-elektrode na te zijn verwarmd om absorbaten te verwijderen. Afbeelding 6c toont de temperatuurafhankelijke overdrachtskenmerken van n-type meerlagige MoTe₂ transistor. Zoals te zien is, wanneer de temperatuur daalt van 275 tot 25 K, nemen de aan- en uitstroom beide af, zoals weergegeven in Fig. 6c, d. Arrhenius-plot van de source-drain stroom I _sd in Fig. 6e laat zien dat thermische emissie en tunnelstroom nog steeds het belangrijkste ladingstransportmechanisme zijn in n-type meerlagige MoTe₂ transistor. De aldus verkregen effectieve Schottky-barrièrehoogte is kleiner dan 250 meV. Gezien de werkfunctie van Au (5.2 eV) en MoTe₂ (4,1 eV), is de effectieve Schottky-barrièrehoogte voor elektronen zo hoog als 1,1 eV in ideale staat. Het verschil kan zijn van het Fermi-niveau pinning-effect in 2D-materialen [47].

N-type meerlagige MoTe₂ transistoreigenschappen in vacuüm. een RT-overdrachtskenmerken van MoTe₂ transistor op V _sd = 1 V. b RT-uitgangskarakteristieken van MoTe₂ transistor bij verschillende back-gate spanning. c Overdrachtskenmerken van MoTe₂ transistor als functie van de temperatuur. d Aan-stroom, uit-stroom en aan-uit stroomverhouding van MoTe₂ transistor als functie van de temperatuur. e Arrhenius-plot van de I _sd bij V _sd = 1 V en V _bg =20 V en 20 V, respectievelijk. v Kaarten van effectieve Schottky-barrièrehoogten Φ _SB als een functie van V _bg

We vinden ook dat de n-type meerlagige MoTe₂ transistor keert terug naar p-type wanneer deze wordt blootgesteld aan lucht (zie aanvullend bestand 1:Afbeelding S6). Op basis van de bovenstaande experimentgegevens leiden we af dat n-type conductantie een intrinsieke eigenschap is voor meerlagige MoTe₂ transistor. N-type geleiding kan worden toegeschreven aan Te-leegstand in MoTe₂ kanaal. Dit wordt bevestigd door DFT-berekening zoals weergegeven in figuur 7. Figuur 7a toont de illustratie van het diagram van Te vacature in monolaag (ML) MoTe₂ , en Fig. 7b toont de overeenkomstige dichtheid van toestanden (DOS). Vergeleken met de DOS van MoTe₂ met een perfecte kristalstructuur, induceert Te vacature een defecte toestand nabij de rand van de geleidende band. Daarom MoTe₂ transistor met Te vacature demonstreert n-type geleiding.

De vacature in MoTe₂ . een 4 × 4 ML MoTe₂ supercellen in een ideale fase en met een Te vacature. De vacaturesite is geel gemarkeerd. b Gedeeltelijke dichtheid van toestanden (PDOS) van Mo-site grenzend aan Te-vacature en dichtstbijzijnde Te-site bij een Te-vacature in ML MoTe₂ (rood vast), vergeleken met de PDOS in een ideale ML (zwart gestreept)

Wanneer het apparaat wordt blootgesteld aan lucht, worden zuurstof en water in de lucht geabsorbeerd door het apparaat. Er is geverifieerd dat de absorbaten van zuurstof en water p-type doping kunnen induceren in organische transistor en grafeen-gerelateerde laagmateriaaltransistor [44, 48, 49]. Het werkt door een zuurstof/water-redoxpaar, waarbij de opgeloste zuurstof in water de voorwaarde stelt voor de redoxreactie. Dit proces induceert ladingsoverdracht tussen het zuurstof/water-redoxpaar en MoTe₂ . De richting van de ladingsoverdracht hangt af van het verschil in werkfunctie (of chemische potentiaal). De werkfunctie van MoTe₂ is 4,1 eV, terwijl die van het zuurstof/water-redoxpaar groter is dan 4,83 eV [48]. Afbeelding 8 illustreert het energiediagram van het water/zuurstof-redoxpaar en MoTe₂ . Door het verschil in energieniveau worden de elektronen geïnjecteerd vanuit MoTe₂ aan zuurstof/water redox koppel, resulterend in doping van MoTe₂ in de lucht.

Energiediagram van het water/zuurstof redox koppel (links) en MoTe₂ (Rechtsaf); de rode pijl geeft de richting van de elektronenoverdracht aan

De p-type en n-type MoTe₂ . gebruiken transistors, onderzoeken we de constructie van een complementaire omvormer zoals geïllustreerd in figuur 9a. Een voedingsspanning van V _DD wordt toegepast op de source (of drain) van p-type transistors, terwijl de source (of drain) van de n-type transistor geaard is. De omvormer wordt gemeten in 8 × 10 ⁻⁵ mbar vacuüm in sondestation. Figuur 9b, c toont de overdrachtskarakteristieken van respectievelijk p-type en n-type transistors van de omvormer. Afbeelding 9d toont de curven van de spanningsoverdrachtskarakteristieken (VTC) van de omvormer wanneer V _DD varieert in het bereik van 1 tot 5 V. De overgangsspanning bevindt zich zeer dicht bij V _DD /2, wat kan worden toegeschreven aan de symmetrie tussen n- en p-type MoTe₂ transistoren. Afbeelding 9e toont de VTC-curven (zwarte lijnen) en hun spiegels (rode lijnen) bij V _DD = 5 V. Het gearceerde "oog"-gebied vertegenwoordigt de ruismarge van de omvormer. Zoals te zien is, is de ruismarge op laag niveau (NM_L ) en ruismarge op hoog niveau (NM_H ) zijn respectievelijk 1,54 V en 1,77 V bij V _DD = 5 V. Afbeelding 9f toont V _IN -afhankelijke spanningsversterkingen van de omvormer bij V _DD = 2 V, 3 V, 4 V en 5 V die toeneemt met V _DD en bereikt 9 bij V _DD = 5 V.

Aanvullende omvormereigenschappen op basis van p-type en n-type meerlagige MoTe₂ transistor in 8 × 10 ⁻⁵ mbar vacuüm. een Omvormerdiagram samengesteld uit p-type en n-type MoTe₂ transistoren. Overdrachtskenmerken van p-type (b ) en n-type (c ) MoTe₂ transistor van de omvormer. d VTC-curven van de omvormer voor V _DD waarden variërend van 1 tot 5 V. e VTC-curven (zwarte lijnen) en hun spiegels (rode lijnen) bij V _DD = 5 V. f V _IN -afhankelijke spanningsversterkingen van de omvormer bij V _DD = 2 V, 3 V, 4 V en 5 V