Name: electric-field control of electronic states in ws2 nanodevices by electrolyte gating
Uploaded: 2018-04-12T13:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 36 s
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Wir anerkennen, dass die folgenden finanziellen Unterstützung; Beihilfe für Forschung (Nr. 25000003) von JSPS speziell gefördert, Beihilfe für Forschung Tätigkeit Inbetriebnahme (No.15H06133) und anspruchsvolle Forschung (explorative) (No. JP17K18748) von MEXT Japans.

(1) Dispersion von WS 2 Nanoröhren (NTs) auf Substrat
<ol><li>WS2 NT Pulver in Isopropylalkohol (IPA, Konzentration mehr als 99,8 %) mit richtigen verdünnten Verhältnis (ca. 0,1 mg/mL) durch Ultraschallbehandlung für 20 min zu zerstreuen. Hinweis: Der langjährige Beschallung hilft, WS2 NTs gleichmäßig ausgesetzt in IPA Flüssigkeit und separate wohlgeformt individuelle WS2 NTs von amorphen WS2 oder andere Dschunken machen, sowie den Müll ansammeln auf WS2 NTs zu entfernen Oberfläche. Abbildung 2 b zeigt die endgültige Aufhebung der WS2 NTs. Da die Aussetzung bei der Beschallung beheizt werden kann, ist es besser, Beschallung an alle 5 min zu stoppen und Beschallung nach 1 min weiter.</li>
	<li>Spin-Coating-Verfahren, WS2 NTs auf Substrat zu zerstreuen.<ol>
<li>Starten Sie den Spin Coater Maschine und Vakuumpumpe. Legen Sie eine Si/SiO2 (3000 Å) Substrat (1 x 1 cm) in der Mitte der der Chuck und befestigen Sie es durch ein Vakuum mit Pumpen-Geschwindigkeit von 80 L/min und Enddruck von 20 kPa. Hinweis: Es gibt ein Loch befindet sich in der Mitte des Futters an der Vakuumpumpe anschließen, damit das Substrat durch Unterdruck fixiert ist (Saugvermögen beträgt 80 L/min. und Enddruck beträgt 20 kPa). Der Unterdruck kann je nach Pumpe unterscheiden.</li>
		<li>Bedienfeld der Spin Coater Maschine relevanten Parameter der Prozedur vorgegeben. Hinweis: Es gibt drei Schritte während der Spin-Coating-Verfahren: (1) langsam beschleunigen bis zu 500 u/min innerhalb der ersten 3 s, (2) schnell Drehzahl bis 4000 u/min und fahren Sie für 50 s, (3) verlangsamen und Stop spinning für die letzten 3 s. Diese Parameter können abhängig von der Verwendung von Spin Coater unterschiedlich sein.</li>
		<li>Setzen Sie einen Tropfen (ca. 0,01 mL) über die Aussetzung der WS2 NT made in (1.1) von einer Pipette auf das Substrat, bis das Substrat durch die Federung vollständig bedeckt ist (wenn nicht, setzen Sie mehr Tröpfchen). Dann Start Spin-Coating mit relevanten Parameter (1.2.2).</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Vorbereitung des dünnen Flocken auf Substrat über Scotch Tape-Methode
<ol><li>Setzen Sie eine kleine Sammelprobe von WS2 (gewachsen über chemische Dampf Transportmethode) auf Tesafilm. Das tesaband Falte und entfalte es langsam um die dünne Schicht von der Masse mechanisch ein Peeling. Wiederholen Sie diesen Vorgang mehrmals, bis die abgestoßene Proben dünn genug sind. Hinweis: Abbildung 2 g und 2 h zeigen das erste Band mit wenig Gesamtprobe WS2 und das letzte Band nach mehreren Falten Eingriffen, beziehungsweise.</li>
	<li>Fügen Sie das Klebeband auf der Oberseite Substrat Kopf, leicht drücken Sie das Klebeband und entfernen Sie vorsichtig das Klebeband von der Spitze des Substrats. Hinweis: Nach dem Entfernen des Bandes, es gibt viele dünne Flocken Links auf dem Substrat.</li>
</ol>3. Gerät Fabrikation durch Elektronenstrahllithografie.
<ol><li>Spin-Coating-Verfahren zur Deckung des Resists für Elektronenstrahllithographie.<ol>
<li>Folgen Sie dem gleichen Spin-Coating-Verfahren (1.2.1) beschrieben und (1.2.2).</li>
		<li>Legen Sie einen Tropfen (ca. 0,04 mL) von Polymethyl Methacrylat (PMMA) mit einer Pipette auf das Substrat bis das Substrat von PMMA vollständig bedeckt ist. Dann starten Sie Spin-Coating-Verfahren zur Deckung gleichmäßig PMMA auf WS2 Probe, um zu verhindern, dass es in der Luft ausgesetzt werden. Hinweis: PMMA ist eines der resiste für Elektronenstrahllithographie.</li>
		<li>Nach Spin-Coating legte das Substrat auf Blech bei 180 ° C und für 1 Minute erhitzen. Hinweis: Diese Parameter können je nach Resist-Typen unterscheiden.</li>
	</ol></li>
	<li>Auswahl von optischen Mikroskopie.<ol>
<li>Starten Sie den optischen Mikroskopie und Kamera. Setzen Sie das Substrat auf der Bühne.</li>
		<li>Bühne zu bewegen und die gesamte Region des Substrates mit richtigen Vergrößerung (20 X) scannen und wählen Sie in der Zwischenzeit isolierte Proben mit geeigneter Größe. Hinweis: Insgesamt sind 6 bis 10 isolierte Proben in der Regel für jedes Substrat von 1 cm x 1 cm wählbar.</li>
		<li>Machen Sie Fotos von jeder Stichprobe mit unterschiedlicher Vergrößerung 5 X, 20 X und 100 X. Diese Fotos werden verwendet, um die Position jeder einzelnen Probe zu identifizieren.</li>
	</ol></li>
	<li>Entwurf des Musters großen Gerät.<ol>
<li>Aktivieren Sie die AutoCAD-Software, und laden Sie das Format der Substrat-Gitter. Einfügen von Fotos in (3.2) und die Größe und Position der einzelnen Fotos je nach den Markierungen auf dem Substrat zu identifizieren.</li>
		<li>Legen Sie ein großes Quadrat mit Länge von 1200 µm und einen kleinen Platz mit einer Länge von 300 µm, die jede Probe umgeben sollte.</li>
		<li>Groß angelegte Entwurfsmuster einschließlich Tor, Quelle, Bach und anderen Pads auf dem großen Platz mit Ausnahme von feinen Strukturen in der Nähe von der Probe. Entwerfen Sie kleine Flecken in der Nähe der Probe genau die Lage der Proben im späteren Verlauf des Designs für das kleine Gerät Muster identifizieren.</li>
		<li>Wiederholung (3.3.2) (3.3.3) für jede Probe.</li>
		<li>Notieren Sie die Koordinaten des Mittelpunkts für jedes große und kleine Quadrat, beziehungsweise.</li>
		<li>Löschen Sie eingefügte Fotos, große und kleine Quadrate und Substrat Gitter Format, so dass nur die große Muster und kleine Markierungen. Exportieren Sie große Muster und kleine Markierungen als Dxf-Dateien bzw..</li>
	</ol></li>
	<li>Ersten Elektronenstrahllithografie.<ol>
<li>Brachte das Substrat auf die Bühne zu beheben und die Bühne in der Hauptkammer des Elektron-Lichtstrahl Lithographie Maschine einfügen.</li>
		<li>ECA-Programm (ein Programm zur Erzeugung einer Datei in Elektronen Strahl Prozess verwendet) zu aktivieren. Feldgröße als 300 für die Lithografie kleine Markierungen festgelegt. Verwenden Sie Werkzeug der Dxf-Konverter Dxf Datei auf Zelle Datei übertragen.</li>
		<li>Laden Sie die Zelle Datei erzeugt in (3.4.2) zu, geben Sie den Dateinamen, identifizieren Sie Herkunft zu und identifizieren Sie Punkte mit den Koordinaten von kleinen Quadraten in (3.3.5) festgestellt. Schließlich erkennen die Koordinaten der große A und B-Marken und kleine A und B für jeden Punkt markiert. Hinweis: Das große A und B Markierungen werden verwendet, um die Richtung der Bühne, während kleine A und B korrigieren Markierungen werden verwendet, um die Diskrepanz zwischen gestaltete Muster und gedruckten Muster, während die kleinräumige Musterdesign zu identifizieren.</li>
		<li>Speichern Sie die Datei als Con Datei und warten Sie, bis der Druck in der Hauptkammer niedriger als 5 x 10-5 PA ist. Hinweis: Da der Elektronenstrahl high Energy ist (50 kV Beschleunigungsspannung), die hohe Qualität des Vakuums ist erforderlich.</li>
		<li>Wenn der Druck der Hauptkammer niedrig wird genug für die Elektron Lichtstrahl Lithographie Prozess aktivieren Electron Beam Control Programm ESL-7500 und schalten Sie anschließend die Elektronenkanone.</li>
		<li>Schalten Sie das Rasterelektronenmikroskop (REM) und verschieben Sie die Bühne in die Position, wo das Substrat auf dem Bildschirm. Einstellen der Helligkeit, Kontrast und Fokus.</li>
		<li>Stellen Sie den Winkel der Bühne von der Beurteilung der relativen Position des großen A und B markiert, die ursprünglich auf dem Substrat, bis der Fehler der Richtung bei Vergrößerung von 5000 X vernachlässigbar ist. Nach der Korrektur der Richtung der Bühne, Registrieren der Position der großen Marke.</li>
		<li>Legen Sie die Amplitude des Elektronenstrahls für Lithographie; 100 pA ist für kleine Markierungen Lithographie. Verschieben Sie die Phase zur Position Amplitude tuning und wählen Sie den spot-Modus für die Kamera, ändern Sie die Amplitude des Elektronenstrahls zu, bis es 100 pA Ampere Meter erreicht. Nach der Einstellung der Amplitude des Elektronenstrahls, Einstellen der Helligkeit, Kontrast und Fokus.</li>
		<li>Gespeichert Con Datei laden in (3.4.4) in der ECA-Programm. Relevanten Parameter einstellen: 2 s für Dosis Zeit und 300 für Feldgröße. Schließlich starten Sie die Belichtung. Hinweis: Dosis Zeit kann je nach der Resist unterscheiden.</li>
		<li>Zurück zu Elektronen Strahl Steuerprogramm ESL-7500 5000 X Vergrößerung eingestellt und verschieben Sie die Phase an die eingetragene Position der großen Marke. Bestätigen Sie die Position der großen A und B markiert.</li>
		<li>Stellen Sie 30000 X Vergrößerung und bestätigen Sie die Position des kleinen A und B für die Lithografie der ersten kleinen Marken entworfen (3.3.3) markiert. Hinweis: Die Lithographie beginnt nach klein konform markiert und einige Sekunden dauert.</li>
		<li>Wiederholen Sie nach Beendigung der Lithographie diesen Vorgang für alle Proben. Endlich beenden Sie der Belichtungsvorgang zu und schließen Sie das ECA-Programm.</li>
		<li>Folgen Sie den gleichen Prozess von (3.4.2) bis (3.4.10) mit unterschiedlichen Parametern für die Lithographie des großen Musters (3.3.3) entworfen. Festlegen Sie in (3.4.2) Feldgröße als 1200. (3.4.3), identifizieren nur Koordinaten der großen A und B markiert mit Ausnahme der kleinen A und B markiert. Legen Sie in (3.4.8) die Amplitude des Elektronenstrahls als 1000 pA für die Lithographie des großen Musters. Wählen Sie im (3.4.9) 1200 der Feldgröße. Hinweis: Nach dem Prozess der (3.4.10), Lithographie von das große Muster beginnt und dauert mehrere Stunden.</li>
		<li>Nach Beendigung der Lithographie des großen Musters, verschieben Sie die Phase in die ursprüngliche Position der Elektronenstrahl schalten Sie aus, und beenden Sie die Belichtung und die ECA-Programm. Öffnen der Hauptkammer und entnehmen Sie das Substrat.</li>
	</ol></li>
	<li>Zuerst entwickeln.<ol>
<li>Machen Sie eine Lösung aus Methyl-Isobutyl-Keton (MIBK) und IPA mit dem Verhältnis von MIBK: IPA = 1:3. Tauchen Sie das Substrat in die Lösung für 30 s, und durch IPA Flüssigkeit waschen und trocknen Sie es durch die Stickstoff-Pistole. Hinweis: Die Entwicklungszeit kann abhängig von den Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit ändern.</li>
		<li>Machen Sie Fotos von optischen Mikroskopie für jedes gedruckte Muster mit unterschiedlicher Vergrößerung 5 X, 20 X und 100 X.</li>
	</ol></li>
	<li>Gestaltung von kleinen Gerät Muster.<ol>
<li>Folgen Sie den gleichen Prozess in (3.3). Laden Sie in (3.3.1) das Muster von Substrat Gitter einschließlich gestaltete kleinen Markierungen in (3.3.3) zu, und fügen Sie Fotos, die nach der ersten Entwicklung. Hinweis: Die Größe und Position der einzelnen Fotos richtet sich nach den kleinen Marken entworfen (3.3.3), anstelle von Markierungen auf dem Substrat.</li>
		<li>Entwerfen Sie die feine Struktur der Gerät-Muster mit Quelle, abtropfen lassen und andere Elektroden in kleine Quadrate in einer Halle Bar-Konfiguration mit dem gedruckten große Muster verbunden ist. Nach dem Entwurf kleine Muster für alle Geräte, erfassen Sie die Koordinaten von kleinen Quadraten.</li>
		<li>Löschen Sie eingefügte Fotos, kleine Plätze und Substrat Muster, so dass nur der kleine Muster. Exportieren Sie das kleine Muster als Dxf-Datei.</li>
	</ol></li>
	<li>Zweite Elektronenstrahllithografie.<ol>
<li>Folgen Sie den gleichen Prozess von (3.4.1) bis (3.4.11) mit den gleichen Parametern für die Lithografie von das kleine Muster entworfen (3,6); 300 für Feldgröße und wählen Sie 100 pA für die Amplitude des Elektronenstrahls. Hinweis: Die Lithographie-Vorgang dauert mehrere Minuten für jedes kleine Muster.</li>
		<li>Verschieben Sie nach der Lithographie von kleinen Muster die Phase in die ursprüngliche Position schalten Sie den Elektronenstrahl, beenden Sie den Belichtungsvorgang und schließen Sie das ECA-Programm. Öffnen der Hauptkammer und entnehmen Sie das Substrat.</li>
	</ol></li>
	<li>Zweitens entwickelt.<ol>
<li>Folgen Sie den gleichen Prozess (3.5) mit Entwicklungsländern zeitgleich mit 30 s.</li>
		<li>Machen Sie Fotos von optischen Mikroskopie für jedes Muster mit unterschiedlicher Vergrößerung 5 X, 20 X und 100 X.</li>
	</ol></li>
</ol>(4) Ablagerung von Elektroden
<ol><li>Ablagerung von gold-Elektroden.<ol>
<li>Befestigen Sie das Substrat auf Substrat Halter, Transfer Stab setzen Sie den Substrat-Halter auf und legen Sie sie in die Hauptkammer des Verdampfers. Drehen des Substrat-Inhabers zu starten.</li>
		<li>Erste Einzahlung Cr 5 nm Dicke als die Adhäsion Schicht. Wenn der Druck in der Hauptkammer weniger als 10-4 Pa wird, schalten Sie die Hochspannungsquelle.</li>
		<li>Erhöhen Sie den Strom der Elektronenkanone sorgfältig mit fester Beschleunigungsspannung von 4 kV, bis die Hinterlegung Rate gemessen durch dicke Monitor stabil über 0,5 Å/s wird (in der Regel vorher verdunsten Cr von ca. 5 nm).</li>
		<li>Der Verschluss geöffnet und Cr zu hinterlegen, bis zu 5 nm Dicke. Schließen Sie den Auslöser, langsam verringern Sie den Strom der Elektronenkanone auf NULL zu, und schalten Sie die Hochspannungsquelle.</li>
		<li>Anschließend Zahlen Sie Au der entsprechenden Dicke. Schalten Sie die Stromquelle und steigern Sie langsam den Strom bis zu 30 A. verflüchtigen Au durch den Strom von 30 A, zu halten, bis die Hinterlegung Rate gemessen durch dicke Monitor stabil ca. 1 Å/s wird (in der Regel vorher verdunsten Au von etwa 10 nm).</li>
		<li>Öffnen Sie den Verschluss und starten Sie, Hinterlegung Au. Schließen Sie nach Erreichen der gewünschten Dicke den Auslöser, langsam verringern Sie den Strom auf NULL zu, und schalten Sie die Stromquelle. Hinweis: Wir verwenden 60 nm für dünne Flake und 90 nm für NT. Die entsprechende Dicke ist abhängig von der Probe.</li>
		<li>Da das Substrat während der Abscheidung erwärmt wird, bleiben Sie das Substrat in der Kammer 1 h zur Abkühlung der Temperatur Raumtemperatur in der Nähe von. Drehen des Substrat-Inhabers zu stoppen und durch Übertragung Stab herausnehmen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Ablagerung von SiO2 Schutzschicht.<ol>
<li>Decken Sie mit Hilfe der optischen Mikroskopie die Pads und die gateelektroden mit dem Band. Hinweis: Grundsätzlich sind nur die feinen Strukturen der Elektroden Kaution SiO2 Schicht zum Schutz der Elektroden gegen die chemische Reaktion während der Elektrolyt Anspritzung ausgesetzt.</li>
		<li>Folgen Sie den gleichen Prozess von (4.1.1) nach (4.1.4) um einzahlen zu Cr 5 nm Dicke als Adhäsion Schicht.</li>
		<li>Anschließend folgen Sie den gleichen Prozess von (4.1.1) nach (4.1.4) um einzahlen zu SiO2 von 20 nm Dicke. Hinweis: Die Hinterlegung SiO2 beträgt ca. 1 Å/s, während vorher Verdampfen von SiO2 von etwa 10 nm.</li>
		<li>Das Substrat in der Kammer für 1 h Stop Drehen des Substrat-Inhabers abkühlen und durch den Transfer Stab herausnehmen. Entfernen Sie das Klebeband unter Mikroskopie.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. Abschluss des Gerätes
<ol><li>Substrat zu Ritzen.<ol>
<li>Aktivieren Sie die Ritzen Maschine und Vakuumpumpe mit Saugvermögen von 50 L/min und Enddruck von 30 kPa. Beheben Sie das Substrat auf der Bühne von Vakuum Chuck und passen Sie den Winkel und die Position des Substrats.</li>
		<li>Ritzen Sie das Substrat in kleine Stücke (in der Regel ca. 3 x 3 mm). Hinweis: Die Größe eines jeden Stückes ist die Lage jeder Stichprobe und gestaltete Muster abhängig.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Gerät abheben.<ol>
<li>Wählen Sie ein Gerät und Tauchen Sie es in Aceton (Konzentration mehr als 99,5 %) für 1 h bei Raumtemperatur, die redundante PMMA und Gold zu entfernen. Nur die vorgefertigten Elektroden sind Links auf Substrat.</li>
		<li>Waschen Sie nach dem Lift-Off-Prozess das Substrat durch IPA zu und trocknen Sie es durch Stickstoff-Pistole.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Drahtbonden.<ol>
<li>Drahtbonden Maschine einschalten. Befestigen Sie das Substrat auf dem Chip-Carrier über Splitter einfügen. Hinweis: Für WS2 NT Fall verwenden wir horizontale Rotator, dargestellt in Abbildung 2n.</li>
		<li>Schließen Sie mit Hilfe von Drahtbonden Maschine jede Elektrode Pad und Elektrode des Chip-Carrier eins nach dem anderen mit Golddraht.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Elektrolyt Tröpfchen setzen.<ol>
<li>Setzen Sie einen Tropfen des Elektrolyts (weniger als 0,5 µL) Geräteoberseite durch eine Pinzette nach dem Eintauchen in die Elektrolyt-Flüssigkeit. Hinweis: Die Menge des Elektrolyten ist sehr wenig; Es umfasst die Feinstruktur des Geräts und Tor Pad vermeidet aber deckt die Elektroden. Wir verwenden den Elektrolyten KClO4 (Konzentration mehr als 99 %) aufgelöst in Polyethylenglykol (PEG; Mw = 600) mit einem [K]: [O] Verhältnis von 01:20 nach der vorherigen Veröffentlichung38.</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. Transport Messungen
<ol><li>Befestigen Sie den Chip-Träger auf der Probenhalter, und steckte ihn in der Kammer des Messsystems der physikalischen Eigenschaften von den Transfer-Rod. Pumpen Sie die Kammer durch die hohen Vakuumbetrieb.</li>
	<li>Mess-System einschließlich der Lock-in Verstärker, Nano-Voltmeter, Quelle Meter und Verstärker zu verbinden. Anwenden einer Konstanten Wechselstrom (AC) mit der Frequenz von 13 Hz AC-Lock-in-Messungen durchführen.</li>
	<li>Führen Sie das Keysight VEE Programm (Messprogramme).</li>
	<li>Bei der Messung von Tor Reaktion, wenn die Gate-Spannung auf den Elektrolyten angewendet wird (dh., zwischen Source und Gate Elektroden), fegen die Gate-Spannung mit Geschwindigkeit von 50 mV/s bei 300 K unter Hochvakuum-Bedingung zur Verringerung des Einflusses der Luft auf die Gating Leistung.</li>
	<li>Bei der Messung der Temperaturabhängigkeit des Widerstandes zuerst Abkühlen bis 200 K mit der Abkühlgeschwindigkeit von 1 K/min in einem Hochvakuum-Zustand, dann ändern Sie in He bereinigt Zustand und halten bis zu 10 K mit der Abkühlgeschwindigkeit von 1 K/min Kühlung. Wenn die Temperatur niedriger als 10 K ist, kühlen Sie lassen ab und mit der Rate von 0,2 K/min erwärmen. Hinweis: In der He-bereinigt Zustand, die thermische Leitfähigkeit und daraus resultierende Temperatur ist Stabilität besser als jene in einem Hochvakuum-Zustand.</li>
</ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

In WS2 NTs und Flocken, haben wir erfolgreich die elektrischen Eigenschaften von elektrostatischen kontrolliert oder Elektro-Chemikalien-Frachter doping.
In elektrostatischen doping Region ist ambipolar Transistor Betrieb beobachtet worden. So ambipolar Transfer-Kurve mit hohem ein-/aus-Verhältnis (> 102) beobachteten in niedrigen Bias Spannung zeigt die effektive Träger doping an der Schnittstelle von Elektrolyt gating Technik für tuning das Fermi-Niveau dieser System...

Kontrolle über die Anzahl der Träger ist der Key-Technik für die quantenphasenübergang in Feststoffen1zu realisieren. In der konventionellen Feldeffekttransistor (FET) wird durch Verwendung von soliden Tor1,2erreicht. In einem solchen Gerät ist elektrische mögliche Steigung der dielektrischen Materialien einheitlich so diese induzierte Träger Zahl an der Schnittstelle begrenzt, dargestellt in Abbildung 1a.
Auf der anderen Seite erreichen wir die höhere Dichte der Träger an der Schnittstelle oder Masse, indem die festen dielektrischen Materialien mit ionischen Gele/Flüssigkeiten oder Polymer Elektrolyte3,4,5,6, 7,8,9,10,11 (Abbildung 1 b). In der elektrostatischen doping durch Verwendung von ionischen Flüssigkeit Elektrische Doppelschicht Transistor (EDLT) Struktur wird an der Schnittstelle zwischen ionischen Flüssigkeit und Probe, Erzeugung von starken elektrischen Feld gebildet (> 0,5 V/Å) auch bei geringer Vorspannung. Daraus resultierende hohe Träger Dichte (> 1014 cm-2) induziert die Schnittstelle10,12,13 Ursache die neuartige elektronische Eigenschaften oder Quanten Phasenübergang wie e-Feld-induzierte Ferromagnetismus14, Coulomb Blockade15, ambipolar Transport16,17,18,19,20, 21 , 22 , 23 , 24 , 25 , 26 , 27, Bildung von p-n-Übergang und daraus resultierende Electroluminance28,29,30, großer Modulation der thermoelektrische Kräfte31,32, laden Dichte Welle und Mott Übergänge33,34,35, und e-Feld-induzierte Isolator-Metall Übergang36,37 , einschließlich e-Feld-induzierte Supraleitung9 ,10,11,38,39,40,41,42,43,44 ,45,46,47,48,49.
In den Elektrolyten gating (Abbildung 1 c), Ionen sind nicht nur an der Schnittstelle zur Form EDLT angesammelt, sondern können auch in Schichten der zweidimensionalen Materialien über thermische Diffusion ohne schädliche Probe unter Anwendung der großen Gate-Spannung eingelagert werden, führt zu den elektrochemischen doping8,9,11,34,38,50,51,52,53 . So können wir die Träger-Anzahl im Vergleich zu den konventionellen Feldeffekt-Transistors mit soliden Tor drastisch ändern. E-Feld-induzierte Supraleitung9,11,34,38,50 erfolgt insbesondere durch Verwendung von Elektrolyt Anspritzung in der Region der großen Träger Anzahl, wo wir nicht von der herkömmlichen festen gating-Methode zugreifen können.
In diesem Artikel stellen wir diese einzigartige Technik der Träger Nummer Kontrolle in Festkörpern und Übersicht der Transistor Betrieb und e-Feld-induzierte Supraleitung in halbleitenden WS2 Proben wie WS2 Flocken und WS2 Nanoröhren54,55,56,57.

<table><tbody><tr><td>Sonication machine</td><td>SND Co., Ltd.</td><td>US-2</td><td>http://www.senjyou.jp/</td></tr><tr><td>Spin-coater machine</td><td>ACTIVE Co.,Ltd.</td><td>ACT-300AII</td><td>http://www.acti-ve.co.jp/spincoater/standard/act300a2.html</td></tr><tr><td>Hot-plate</td><td>TAIYO</td><td>HP131224</td><td>http://www.taiyo-kabu.co.jp/products/detail.php?product_id=431</td></tr><tr><td>Optical Microscopy</td><td>OLYMPUS</td><td>BX51</td><td>https://www.olympus-ims.com/ja/microscope/bx51p/</td></tr><tr><td>Electron Beam Lithography machine</td><td>ELIONIX INC.</td><td>ELS-7500I</td><td>https://www.elionix.co.jp/index.html</td></tr><tr><td>Scribing machine</td><td>TOKYO SEIMITSU CO., LTD.</td><td>A-WS-100A</td><td>http://www.accretech.jp/english/product/semicon/wms/aws100s.html</td></tr><tr><td>Wire-bonding machine</td><td>WEST&amp;middot;BOND&amp;nbsp;</td><td>7476D-79</td><td>https://www.hisol.jp/products/bonder/wire/mgb/b.html</td></tr><tr><td>Physical Properties Measurement System</td><td>Quantum Design</td><td>PPMS</td><td>http://www.qdusa.com/products/ppms.html</td></tr><tr><td>Lock-in amplifier</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SRS830</td><td>http://www.thinksrs.com/products/SR810830.htm</td></tr><tr><td>Source meter</td><td>Textronix</td><td>KEITHLEY 2612A</td><td>http://www.tek.com/keithley-source-measure-units/smu-2600b-series-sourcemeter</td></tr><tr><td>KClO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>241830</td><td>http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigald/241830?lang=ja&amp;amp;region=JP</td></tr><tr><td>PEG</td><td>WAKO</td><td>168-09075</td><td>http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0116-0907</td></tr><tr><td>IPA</td><td>WAKO</td><td>169-28121</td><td>http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=169-28121</td></tr><tr><td>MIBK</td><td>WAKO</td><td>131-05645</td><td>http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspCode=W01W0113-0564</td></tr><tr><td>PMMA</td><td>MicroChem</td><td>PMMA</td><td>http://microchem.com/Prod-PMMA.htm</td></tr><tr><td>Acetone</td><td>WAKO</td><td>012-26821</td><td>http://www.siyaku.com/uh/Shs.do?dspWkfcode=012-26821</td></tr></tbody></table>

electric-field control of electronic states in ws2 nanodevices by electrolyte gating

Eine Methode der Träger Nummer Kontrolle durch Elektrolyt Anspritzung wird demonstriert. Wir haben WS2 dünne Flocken mit atomar flachen Oberfläche per Tesafilm Methode oder individuelle WS2 Nanoröhren erhalten, durch die Aussetzung der WS2 Nanoröhren Dispergieren. Die ausgewählten Beispiele haben in Geräte durch den Einsatz von der Elektronenstrahllithographie hergestellt worden und Elektrolyt wird auf den Geräten. Wir haben die elektronischen Eigenschaften der Geräte unter Anwendung der Gate-Spannung gekennzeichnet. Im Großraum kleiner Gate-Spannung werden Ionen im Elektrolyten auf der Oberfläche der Proben gesammelt, führt zu der großen elektrischen potenzielle Drop und daraus resultierenden elektrostatische Träger doping an der Schnittstelle. Ambipolar Transfer Kurve ist elektrostatische doping hierzulande beobachtet worden. Wenn die Gate-Spannung weiter erhöht, trafen wir eine weitere drastische Erhöhung der Source-Drain-Strom, der impliziert, dass Ionen in Schichten von WS2 Zwischenspiele sind und elektrochemische Träger doping realisiert. In einer solchen elektrochemischen doping Region wurde Supraleitung beobachtet. Die fokussierte Technik bietet eine wirkungsvolle Strategie zur Erreichung der Elektro-eingereicht-induzierte quantenphasenübergang.

Die typische Transistor Operationen eine individuelle WS2 NT und ein WS2 Flocke-Geräte erscheinen in Abbildung 3a und 3 b, bzw. wo die Quelle drain Strom (ichDS) in Abhängigkeit von der Gate-Spannung (V G) schön in einem ambipolar Modus, zeigt einen bemerkenswerten Kontrast zu der unipolaren Tor Antwort von den herkömmlichen festen gated FET in früheren Publikation<sup class=...

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Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um die Anzahl der Träger in Festkörpern mit Elektrolyten steuern.

Elektrisches Feld Kontrolle der elektronischen Zustände in WS2 Nanosysteme durch Elektrolyt Anspritzung

A method of carrier number control by electrolyte gating is demonstrated. We have obtained WS2 thin flakes with atomically flat surface via scotch tape ...

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Electric-field Control of Electronic States in WS2 Nanodevices by Electrolyte Gating

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Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and entanglement, to solve certain problems exponentially faster than with the best known algorithms on a classical computer. Gate-defined lateral quantum dots on GaAs/AlGaAs are one of many avenues explored for the implementation of a qubit. When properly fabricated, such a device is able to trap a small number of electrons in a certain region of space. The spin states of these electrons can then be used to implement the logical 0 and 1 of the quantum bit. Given the nanometer scale of these quantum dots, cleanroom facilities offering specialized equipment- such as scanning electron microscopes and e-beam evaporators- are required for their fabrication. Great care must be taken throughout the fabrication process to maintain cleanliness of the sample surface and to avoid damaging the fragile gates of the structure. This paper presents the detailed fabrication protocol of gate-defined lateral quantum dots from the wafer to a working device. Characterization methods and representative results are also briefly discussed. Although this paper concentrates on double quantum dots, the fabrication process remains the same for single or triple dots or even arrays of quantum dots. Moreover, the protocol can be adapted to fabricate lateral quantum dots on other substrates, such as Si/SiGe.

This paper presents a detailed fabrication protocol for gate-defined semiconductor lateral quantum dots on gallium arsenide heterostructures. These nanoscale devices are used to trap few electrons for use as quantum bits in quantum information processing or for other mesoscopic experiments such as coherent conductance measurements.

Nanofabrication von Tor-definiert GaAs / AlGaAs Lateral Quantum Dots

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and ...

Forschung

Ingenieurwesen

Fine-tuning the Size and Minimizing the Noise of Solid-state Nanopores

Solid-state nanopores have emerged as a versatile tool for the characterization of single biomolecules such as nucleic acids and proteins1. However, the creation of a nanopore in a thin insulating membrane remains challenging. Fabrication methods involving specialized focused electron beam systems can produce well-defined nanopores, but yield of reliable and low-noise nanopores in commercially available membranes remains low2,3 and size control is nontrivial4,5. Here, the application of high electric fields to fine-tune the size of the nanopore while ensuring optimal low-noise performance is demonstrated. These short pulses of high electric field are used to produce a pristine electrical signal and allow for enlarging of nanopores with subnanometer precision upon prolonged exposure. This method is performed in situ in an aqueous environment using standard laboratory equipment, improving the yield and reproducibility of solid-state nanopore fabrication.

A methodology for preparing solid-state nanopores in solution for biomolecular translocation experiments is presented. By applying short pulses of high electric fields, the nanopore diameter can be controllably enlarged with subnanometer precision and its electrical noise characteristics significantly improved. This procedure is performed in situ using standard laboratory equipment under experimental conditions.

Feinabstimmung der Größe und Minimierung der Lärm von Solid-State-Nanoporen

Solid-state nanopores have emerged as a versatile tool for the characterization of single biomolecules such as nucleic acids and proteins1. However, the ...

Fabrication of Gate-tunable Graphene Devices for Scanning Tunneling Microscopy Studies with Coulomb Impurities

Owing to its relativistic low-energy charge carriers, the interaction between graphene and various impurities leads to a wealth of new physics and degrees of freedom to control electronic devices. In particular, the behavior of graphene&#8217;s charge carriers in response to potentials from charged Coulomb impurities is predicted to differ significantly from that of most materials. Scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS) can provide detailed information on both the spatial and energy dependence of graphene&#39;s electronic structure in the presence of a charged impurity.&#160;The design of a hybrid impurity-graphene device, fabricated using controlled deposition of impurities onto a back-gated graphene surface, has enabled several novel methods for controllably tuning graphene&#8217;s electronic properties.1-8 Electrostatic gating enables control of the charge carrier density in graphene and the ability to reversibly tune the charge2 and/or molecular5 states of an impurity. This paper outlines the process of fabricating a gate-tunable graphene device decorated with individual Coulomb impurities for combined STM/STS studies.2-5 These studies provide valuable insights into the underlying physics, as well as signposts for designing hybrid graphene devices.

This paper details the fabrication process of a gate-tunable graphene device, decorated with Coulomb impurities for scanning tunneling microscopy studies. Mapping the spatially dependent electronic structure of graphene in the presence of charged impurities unveils the unique behavior of its relativistic charge carriers in response to a local Coulomb potential.

Herstellung von Tor-abstimmbaren Graphene Geräte für Rastertunnelmikroskopie Studies mit Coulomb Verunreinigungen

Owing to its relativistic low-energy charge carriers, the interaction between graphene and various impurities leads to a wealth of new physics and degrees ...

Silicon Metal-oxide-semiconductor Quantum Dots for Single-electron Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by quantum mechanical effects such as tunneling through single dopants, scattering via interface defects, and discrete trap charge states. However, progress in silicon technology has shown that these phenomena can be harnessed and exploited for a new class of quantum-based electronics. Among others, multi-layer-gated silicon metal-oxide-semiconductor (MOS) technology can be used to control single charge or spin confined in electrostatically-defined quantum dots (QD). These QD-based devices are an excellent platform for quantum computing applications and, recently, it has been demonstrated that they can also be used as single-electron pumps, which are accurate sources of quantized current for metrological purposes. Here, we discuss in detail the fabrication protocol for silicon MOS QDs which is relevant to both quantum computing and quantum metrology applications. Moreover, we describe characterization methods to test the integrity of the devices after fabrication. Finally, we give a brief description of the measurement set-up used for charge pumping experiments and show representative results of electric current quantization.

The fabrication process and experimental characterization techniques relevant to single-electron pumps based on silicon metal-oxide-semiconductor quantum dots are discussed.

Silicium-Metall-Oxid-Halbleiter-Quantenpunkte für Einzelelektronen Pumping

As mass-produced silicon transistors have reached the nano-scale, their behavior and performances are increasingly affected, and often deteriorated, by ...

Fabrication of Carbon Nanotube High-Frequency Nanoelectronic Biosensor for Sensing in High Ionic Strength Solutions

The unique electronic properties and high surface-to-volume ratios of single-walled carbon nanotubes (SWNT) and semiconductor nanowires (NW) 1-4 make them good candidates for high sensitivity biosensors. When a charged molecule binds to such a sensor surface, it alters the carrier density5 in the sensor, resulting in changes in its DC conductance. However, in an ionic solution a charged surface also attracts counter-ions from the solution, forming an electrical double layer (EDL). This EDL effectively screens off the charge, and in physiologically relevant conditions ~100 millimolar (mM), the characteristic charge screening length (Debye length) is less than a nanometer (nm). Thus, in high ionic strength solutions, charge based (DC) detection is fundamentally impeded6-8.
We overcome charge screening effects by detecting molecular dipoles rather than charges at high frequency, by operating carbon nanotube field effect transistors as high frequency mixers9-11. At high frequencies, the AC drive force can no longer overcome the solution drag and the ions in solution do not have sufficient time to form the EDL. Further, frequency mixing technique allows us to operate at frequencies high enough to overcome ionic screening, and yet detect the sensing signals at lower frequencies11-12. Also, the high transconductance of SWNT transistors provides an internal gain for the sensing signal, which obviates the need for external signal amplifier.
Here, we describe the protocol to (a) fabricate SWNT transistors, (b) functionalize biomolecules to the nanotube13, (c) design and stamp a poly-dimethylsiloxane (PDMS) micro-fluidic chamber14 onto the device, and (d) carry out high frequency sensing in different ionic strength solutions11.

We describe the device fabrication and measurement protocol for carbon nanotube based high frequency biosensors. The high frequency sensing technique mitigates the fundamental ionic (Debye) screening effect and allows nanotube biosensor to be operated in high ionic strength solutions where conventional electronic biosensors fail. Our technology provides a unique platform for point-of-care (POC) electronic biosensors operating in physiologically relevant conditions.

Herstellung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen Hochfrequenztechnik Nanoelectronic Biosensor für Sensing in hoher Ionenstärke Lösungen

The unique electronic properties and high surface-to-volume ratios of single-walled carbon nanotubes (SWNT) and semiconductor nanowires (NW) 1-4 make them ...

Biotechnik

Characterizing Electron Transport through Living Biofilms

Here we demonstrate the method of electrochemical gating used to characterize electrical conductivity of electrode-grown microbial biofilms under physiologically relevant conditions.1 These measurements are performed on living biofilms in aqueous medium using source and drain electrodes patterned on a glass surface in a specialized configuration referred to as an interdigitated electrode (IDA) array. A biofilm is grown that extends across the gap connecting the source and drain. Potentials are applied to the electrodes (ES and ED) generating a source-drain current (ISD) through the biofilm between the electrodes. The dependency of electrical conductivity on gate potential (the average of the source and drain potentials, EG = [ED + ES]/2) is determined by systematically changing the gate potential and measuring the resulting source-drain current. The dependency of conductivity on gate potential provides mechanistic information about the extracellular electron transport process underlying the electrical conductivity of the specific biofilm under investigation. The electrochemical gating measurement method described here is based directly on that used by M. S. Wrighton2,3 and colleagues and R. W. Murray4,5,6 and colleagues in the 1980&#39;s to investigate thin film conductive polymers.

A protocol for measuring electrical conductivity of living microbial biofilms under physiologically relevant conditions is presented.

Charakterisierung von Elektronentransport durch lebende Biofilme

Here we demonstrate the method of electrochemical gating used to characterize electrical conductivity of electrode-grown microbial biofilms under ...

Chemie

Flow-assisted Dielectrophoresis: A Low Cost Method for the Fabrication of High Performance Solution-processable Nanowire Devices

Flow-assisted dielectrophoresis (DEP) is an efficient self-assembly method for the controllable and reproducible positioning, alignment, and selection of nanowires. DEP is used for nanowire analysis, characterization, and for solution-based fabrication of semiconducting devices. The method works by applying an alternating electric field between metallic electrodes. The nanowire formulation is then dropped onto the electrodes which are on an inclined surface to create a flow of the formulation using gravity. The nanowires then align along the gradient of the electric field and in the direction of the liquid flow. The frequency of the field can be adjusted to select nanowires with superior conductivity and lower trap density. 
In this work, flow-assisted DEP is used to create nanowire field effect transistors. Flow-assisted DEP has several advantages: it allows selection of nanowire electrical properties; control of nanowire length; placement of nanowires in specific areas; control of orientation of nanowires; and control of nanowire density in the device. 
The technique can be expanded to many other applications such as gas sensors and microwave switches. The technique is efficient, quick, reproducible, and it uses a minimal amount of dilute solution making it ideal for the testing of novel nanomaterials. Wafer scale assembly of nanowire devices can also be achieved using this technique, allowing large numbers of samples for testing and large-area electronic applications.

In this paper, flow assisted dielectrophoresis is demonstrated for the self-assembly of nanowire devices. The fabrication of a silicon nanowire field effect transistor is shown as an example.

Flow-gestützte Dielektrophorese: Eine kostengünstige Methode für die Herstellung von Hochleistungs-Lösung-verarbeitbare Nanodraht-Geräte

Flow-assisted dielectrophoresis (DEP) is an efficient self-assembly method for the controllable and reproducible positioning, alignment, and selection of ...

Generation and Control of Electrohydrodynamic Flows in Aqueous Electrolyte Solutions

To drive electrohydrodynamic (EHD) flows in aqueous solutions, the separation of cation and anion transport pathways is essential because a directed electric body force has to be induced by ionic motions in liquid. On the other hand, positive and negative charges attract each other, and electroneutrality is maintained everywhere in equilibrium conditions. Furthermore, an increase in an applied voltage has to be suppressed to avoid water electrolysis, which causes the solutions to become unstable. Usually, EHD flows can be induced in non-aqueous solutions by applying extremely high voltages, such as tens of kV, to inject electrical charges. In this study, two methods are introduced to generate EHD flows induced by electrical charge separations in aqueous solutions, where two liquid phases are separated by an ion-exchange membrane. Due to a difference in the ionic mobility in the membrane, ion concentration polarization is induced between both sides of the membrane. In this study, we demonstrate two methods. (i) The relaxation of ion concentration gradients occurs via a flow channel that penetrates an ion-exchange membrane, where the transport of the slower species in the membrane selectively becomes dominant in the flow channel. This is a driving force to generate an EHD flow in the liquid. (ii) A long waiting time for the diffusion of ions passing through the ion-exchange membrane enables the generation of an ion-dragged flow by externally applying an electric field. Ions concentrated in a flow channel of a 1 x 1 mm2 cross-section determine the direction of the liquid flow, corresponding to the electrophoretic transport pathways. In both methods, the electric voltage difference required for an EHD flow generation is drastically reduced to near 2 V by rectifying the ion transport pathways.

The rectification of ion transport pathways is an effective method to generate one-directional ion-dragged electrohydrodynamic flows. By setting an ion-exchange membrane in a flow channel, an electrically polarized condition is generated and causes a liquid flow to be driven when an electric field is externally applied.

Erzeugung und Kontrolle der Electrohydrodynamic fließt in wässrigen Elektrolytlösungen

To drive electrohydrodynamic (EHD) flows in aqueous solutions, the separation of cation and anion transport pathways is essential because a directed ...

A Standard and Reliable Method to Fabricate Two-Dimensional Nanoelectronics

Two-dimensional (2D) materials have attracted huge attention due to their unique properties and potential applications. Since wafer scale synthesis of 2D materials is still in nascent stages, scientists cannot fully rely on traditional semiconductor techniques for related research. Delicate processes from locating the materials to electrode definition need to be well controlled. In this article, a universal fabrication protocol required in manufacturing nanoscale electronics, such as 2D quasi-heterojunction bipolar transistors (Q-HBT), and 2D back-gated transistors are demonstrated. This protocol includes the determination of material position, electron beam lithography (EBL), metal electrode definition, et al. A step by step narrative of the fabrication procedures for these devices are also presented. Furthermore, results show that each of the fabricated devices has achieved high performance with high repeatability. This work reveals a comprehensive description of process flow for preparing 2D nano-electronics, enables the research groups to access this information, and pave the way toward future electronics.

The article aims to introduce a standard and reliable fabrication procedure for the development of future low dimensional nanoelectronics.

Eine Standard und zuverlässige Methode, zweidimensionale Nanoelektronik zu fabrizieren

Two-dimensional (2D) materials have attracted huge attention due to their unique properties and potential applications. Since wafer scale synthesis of 2D ...

Preparation of Silicon Nanowire Field-effect Transistor for Chemical and Biosensing Applications

Surveillance using biomarkers is critical for the early detection, rapid intervention, and reduction in the incidence of diseases. In this study, we describe the preparation of polycrystalline silicon nanowire field-effect transistors (pSNWFETs) that serve as biosensing devices for biomarker detection. A protocol for chemical and biomolecular sensing by using pSNWFETs is presented. The pSNWFET device was demonstrated to be a promising transducer for real-time, label-free, and ultra-high-sensitivity biosensing applications. The source/drain channel conductivity of a pSNWFET is sensitive to changes in the environment around its silicon nanowire (SNW) surface. Thus, by immobilizing probes on the SNW surface, the pSNWFET can be used to detect various biotargets ranging from small molecules (dopamine) to macromolecules (DNA and proteins). Immobilizing a bioprobe on the SNW surface, which is a multistep procedure, is vital for determining the specificity of the biosensor. It is essential that every step of the immobilization procedure is correctly performed. We verified surface modifications by directly observing the shift in the electric properties of the pSNWFET following each modification step. Additionally, X-ray photoelectron spectroscopy was used to examine the surface composition following each modification. Finally, we demonstrated DNA sensing on the pSNWFET. This protocol provides step-by-step procedures for verifying bioprobe immobilization and subsequent DNA biosensing application.

We describe key steps for biosensing by using polysilicon nanowire field-effect transistors, including the preparation of the device and the immobilization and confirmation of a DNA molecular probe on the nanowire surface, as well as conditions for DNA sensing.

Herstellung von Silizium-Nanodraht-Feldeffekttransistor für chemische und Biosensorik Anwendungen

Surveillance using biomarkers is critical for the early detection, rapid intervention, and reduction in the incidence of diseases. In this study, we ...

Elektrisches Feld Kontrolle der elektronischen Zustände in WS₂ Nanosysteme durch Elektrolyt Anspritzung

Zusammenfassung

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