RSC thanks the support of the National Science Council (NSC) of Taiwan under Project NSC 102-2112-M-011-001-MY3. YSH acknowledges the support of the NSC of Taiwan under Project NSC 100-2112-M-011-001-MY3.

モーゼ2層の結晶の1構造解析（図1のステップ1を参照してください） <ol><li> XRD測定手順<ol><li>ホルダー上の（石英粉末とバインダーと混合し、スライドガラス上に塗抹された）または結晶粉末（5×5×0.1〜10×10×0.5 mmの3の大きさの範囲を有する）モーゼ2層の結晶を取り付けます。 </li><li>ホルダー表面に層の結晶表面に平行を確保するために、スライドガラスによってホルダーを押します。 </li><li>回折計に試料ホルダーをロードします。 </li><li>回折計のドアを閉めます。 </li><li>メーカーの指示に応じてビームラインを調整します。 </li><li>このような2スキャン範囲（10-80°）、増分（0.004°）、及び滞留時間（0.1秒）のような入力測定パラメータ。 </li><li>回折計に接続されたコンピュータ上DIFFRAC.Measurementセンタープログラムを起動して、メーカーのプロトに従ってデータや名称データファイルを保存COL。 </li><li>ソフトウェアを使用して、回折ピークの位置を識別することによってXRDパターンを分析し、その後モーゼ2層の結晶32,33のシングル面外方位単結晶の品質を確認するために、JCPDSカードデータベースから標準データと比較します。 </li></ol></li><li>顕微ラマン測定手順<ol><li>標準試料としてシリコンウェハを用いたラマン装置のキャリブレーションを行います。シリコンウェーハの測定は興味モーゼ2層の結晶のために以下に記載された手順と同様です。 </li><li>スライドガラス上のモーゼ2層の結晶をマウントします。 </li><li>光学顕微鏡のホルダーにス​​ライドガラスをロードし、白色光源と試料表面に焦点を当てます。 </li><li>レーザー光（514 nmの波長）に白色光から光源を切り替えます。 </li><li>そのような波数スキャン範囲として入力された測定パラメータ（150〜500センチメートル-1）、INTEGRエーション時間（10秒）、及びスキャン回数（10〜30回）。 </li><li>ラマン分光計に接続されたコンピュータ上のプログラムを起動して、製造業者のプロトコルに従ってデータや名称データファイルを保存します。 </li><li>それらのピーク幅及びソフトウェアを使用して位置を特定することにより、ラマンスペクトルを分析した後、モーゼ2層の結晶34,35の結晶構造のタイプおよび品質を確認するために、標準的な参考文献からのデータと比較します。 </li></ol></li></ol> モーゼ2層ナノ結晶デバイスの作製2。 <ol><li>レイヤ結晶の機械的剥離<ol><li>アセトンやアルコールで清掃ピンセット。 </li><li>光沢のある表面とモーゼ2層の結晶（4〜8個）ピック（ すなわち鏡のような結晶面）とピンセットで0.5×0.5 mm 2を超える面積との面積とダイシングテープ上に置きます20×60 mm 2です。</li><li>約20倍の層結晶を剥離し、アクションを繰り返すように半分にテープを折ります。通常、層の結晶は、幅（ 図1のステップ2を参照）、多くのミクロンサイズの結晶に除去することができます。 </li><li>これらの剥奪モーゼ2層の微結晶の大きさや形態を観察したSEMチャンバー内に層のナノ結晶粉末とダイシングテープをロードします。層のナノ結晶の幅分布は1〜20ミクロンである場合、ナノ結晶粉末がデバイス製造のための基準を満たすことができます。 </li></ol></li><li>デバイステンプレート上のレイヤナノ結晶の分散<ol><li>デバイステンプレート上の層のナノ結晶粉末逆さまにダイシングテープを配置します。テンプレートは、SiO 2で16予めパターンのTi（30nmの）/金（90 nm）のSiO 2表面上の電極との（300 nm）で被覆されたシリコン基板（ 図1のステップ4を参照します）。テンプレートの領域の大きさは5×5mmであります<suP&gt; 2。 </li><li>いくつかのナノ結晶（約10〜100個）テンプレートに落ちるを作るために軽く、ダイシングテープをタップします。 </li><li>分散したナノ結晶を光学顕微鏡で観察されないことができれば、光学顕微鏡によって、または時々SEMによってテンプレート上のナノ結晶の数密度と分散状態を確認してください。通常ナノ結晶の2〜5個（2×2ミクロン2よりも大きな領域サイズ）が互いに重複することなく、テンプレートの（80×80ミクロン2の面積を有する）中央広場に分散させた次のFIB加工のためのより良い条件です。 </li></ol></li><li> FIBにより電極作製<ol><li>マウントは、導電性銅箔テープを用いてFIBホルダー上にテンプレート。典型的には、3×2.4 cm 2のテープを行う面積が6-8テンプレートを実装するために必要でした。 </li><li> FIB室にホルダーをロードします。 </li><li>ボタンをクリックして10 -5ミリバールまで真空度にチャンバーを避難&quot;ポンプ&quot;。 </li><li> SEMモードの電子ビーム電流（41 pA）で、加速電圧（10kVの）を設定します。 </li><li> FIBモードのイオンビーム電流（0.1 NA）、加速電圧（30kVで）を設定します。 </li><li>それぞれ、「ガス注入」ブロック内のボタン「ビームオン」ボタン、「コールド」をクリックすることで、イオンビーム装置とガス注入システム（GIS）をウォームアップ。 </li><li>ボタン「ビームオン」をクリックすることで、電子ビームをオンにして、100倍の低倍率で画像の焦点を合わせます。 </li><li> SEMモードの10ミリメートルでのz軸方向の作動距離（WD）​​を設定します。 </li><li> 5,000Xで倍率を設定し、焦点を合わせます。 </li><li>傾斜角度「52」ボタンをクリックして52度に「ナビゲーション」をホルダーの傾斜角度を設定し、入力。 </li><li> （5から3000ナノメートルまでの範囲）は、特定の厚さのモーゼ2層ナノ結晶と電極ファブリカのための長方形と正方形の形状を選択しまする。 </li><li>ボタン「スナップショット」をクリックすることで、電極の製造前に目標と自然のままの材料の（1,000倍から10,000倍に）異なる倍率でのSEM像を取ります。 </li><li> FIBモードに切り替えて、イオンビーム照射の下で、標的材料の露光時間を短縮するために、スナップショットモードによってFIB画像を取ります。 </li><li>堆積Pt電極の厚さ（0.2〜1.0μm）の値を、電極堆積領域を定義し、「PT沈着」モードを選択し、入力。 </li><li> 「ガス注入」ブロックのボックス &quot;のPt DEP」をクリックすることにより、室内へのGISの毛細血管をご紹介します。 </li><li>再びスナップショットモードで画像を取り、最初に定義されたパターンがわずかにシフトした場合の電極の位置を変更します。 </li><li>ボタン「スタートパターニング」をクリックすることで、FIB蒸着をオンにします。 </li><li>堆積後、ボックス「PT DをunclickingバックGISの毛細血管を描きますガス注入 &quot;ブロック&quot;の &quot;EP。 </li><li> SEMモードに切り替えて、層のナノ結晶上に堆積されたPt電極の結果を確認してください。 </li><li> 2つまたは4つの電極（ 図1のステップ3を参照）で完了したデバイスの異なる倍率でのSEM像を取ります。 </li><li>ホルダーのボタンをクリックして、0度への復帰「ナビゲーション」と入力の傾斜角度を設定し、傾斜角「0」。 </li><li>ボタン「スナップショット」をクリックすることで、材料の幅と電極間距離の推定のための異なる倍率でトップ視SEM像を取ります。 </li><li>電子ビームやイオンビームシステムの電源をオフにして、それぞれ、「ガス注入」ブロックで「ウォーム」ボタン「ビーム切」ボタンをクリックすることで、GISシステムをクールダウン。 </li><li> 「ベント」、次にホルダーを取るボタンをクリックすることで、窒素ガスを導入することによって、チャンバをベントチャンバーの外。それは、典型的には、ベントプロセスを完了するために5〜10分を要します。 </li><li>室のドアを閉じ、チャンバーを避難。 </li></ol></li></ol> モーゼ2層ナノ結晶デバイスの3キャラクタリゼーション <ol><li> AFMによるレイヤーナノ結晶の厚さ測定<ol><li>プローブホルダにAFMカンチレバーをインストールします。 </li><li> AFMプログラムをオンにして、「ScanAsyst」モードを選択してください。 </li><li>プローブホルダをロードし、AFMステーションのレーザダイオードヘッドを接続してください。 </li><li>入射レーザビーム位置及び製造業者のプロトコルに従って、カンチレバーを整列させるためにキャリブレーションを行います。 </li><li> Cu箔テープによりサンプルホルダー上でサンプル（FIB製作層のナノ結晶デバイスとテンプレートチップ）を取り付けます。 </li><li> AFMステーションに試料ホルダーをロードします。 </li><li>約レーザービームやAFMのcantilevの下の位置に試料ホルダーを移動えー。 </li><li>層のナノ結晶の光学顕微鏡像を集束させることによって焦点位置にAFMカンチレバーを下に下げます。 </li><li>このようなスキャンエリア（6×6-30×30μmの2）、周波数（0.5〜1.5 Hz）で、解像度（256〜512行）として入力スキャンパラメータ。 </li><li>プログラムを起動して、製造業者のプロトコルに従ってデータを保存します。 </li><li> AFMカンチレバーを持ち上げ、試料ホルダーを取り出します。 </li><li>第二のサンプルをロードし、必要な場合は、上記の測定手順を繰り返します。 </li><li>ソフトウェア「ナノスコープの分析」を用いたAFM像と高さプロファイルを分析することによって、層のナノ結晶の厚さを推定します。 AFM像からの横方向の高さプロファイルを選択し、プロファイルのフラット化面積で平均厚さ値を決定します。 （ 図2d及び2eとを参照してください ） </li></ol></li><li>層のナノ結晶の電流対電圧（IV）測定<ol><li>マウントCu箔テープでマイカ基板上の試料（FIB製作層のナノ結晶デバイスとテンプレートチップ）。 </li><li> Agペーストによりチップの電極上にエナメル線や銅線を結合。 （ 図1のステップ4を参照してください。） </li><li>プローブステーション室で完了したサンプルをロードし、Cu箔テープで試料ホルダーに固定します。極低温プローブステーションは、暗い環境に位置していました。 （ 図1のステップ5を参照してください。） </li><li>サンプルの電気配線およびプローブの金属電極を一つずつ半田付けします。 </li><li>チャンバトップに蓋をし ​​、ダウン10 -4ミリバール室に避難。プローブステーションに液体窒素を導入することで、77Kにサンプルをクールダウン。 （通常は80から320 Kまで）の温度範囲を設定し、間隔、および温度制御のための滞留時間。 （唯一の温度依存測定に必要）。 </li><li> 、電圧INTE（-1から1 Vに一般的に）印加される電圧掃引範囲を設定します。rvalに（0.01 V）、および2つの末端のIV測定のための超高インピーダンス電位計多機能で制限された最大電流（10または100μA）。 4端子測定の場合、印加電流掃引範囲（通常は-100から100μA）と現在の間隔（1μA）を設定します。 </li><li>プログラムを起動し、室温で、または異なる温度でIVデータを保存します。 </li><li>必要に応じて、チャンバキャップを開き、チャンバーからサンプルを取ります。 </li><li>必要な場合は、第二のサンプルをロードし、上記の手順を繰り返します。 </li><li>ソフトウェアを使用して印加される電圧データ対測定された電流をプロットすることによりI-V曲線を分析します。直線フィッティング機能を選択することで、I-V曲線をフィット。 IV曲線の直線性を確認し、傾斜値（ すなわちコンダクタンス値）を得ます。 （ 図1のステップ6を参照してください。） </li><li> I-V曲線 mのステップ3.2.10を繰り返します必要な場合は、異なる温度でeasured。 </li><li> IV、SEMによって得られたパラメータを採用することにより、式σ= G（T / TW）に応じて導電率（σ）の値を計算し、コンダクタンス（G）、厚さ（t）、 幅 （w）と長さ（を含むAFM測定層のナノ結晶のL）。 </li><li>層のナノ結晶の厚さに対するコンダクタンスの曲線と導電率の値をプロットします。 </li></ol></li></ol>

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Crystal Growth. 285 (3), 408-414 (2005).</li><li>Hu, S. Y., Liang, C. H., Tiong, K. K., Huang, Y. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+Re+dopant+on+the+electrical+and+optical+properties+of+MoSe2+single+crystals.">Effect of Re dopant on the electrical and optical properties of MoSe2 single crystals.</a> J. Alloys Compounds. 442 (1-2), 1-2 (2007).</li><li>Bougouma, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth+and+characterization+of+large,+high+quality+MoSe2+single+crystals.">Growth and characterization of large, high quality MoSe2 single crystals.</a> J. Crystal Growth. 363, 122-127 (2013).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

ナノ結晶層におけるσ値とその寸法依存性の正確な決意は、電気接点の品質に大きく依存します。金属電極の堆積に用いられるFIB蒸着法は、試験全体を通して重要な役割を果たしました。よれば、電気的、構造的、及び組成物は、Pt金属とモーゼ2のアモルファス導電性合金の形成によって促進されたモーゼ2、MoS 2のデバイスに、FIB蒸着法を用いて、安定した再現性の高?...

そのようなMoS 2、モーゼ2、WS 2、およびWSE 2などの遷移金属ジカルコゲニド（のTMD）は、興味のある二次元（2D）の層構造と半導体特性1-3を有しています 。科学者らは最近、MoS 2の単層構造であるため、量子閉じ込め効果を実質的に強化された発光効率を示すことを発見しました。新しい直接バンドギャップ半導体材料の発見は、かなりの注目を集めている4-7。また、のTMDの簡単取り除か層構造は、2D材料の基本的な性質を研究するための優れたプラットフォームです。バンドギャップのない金属グラフェンとは異なり、のTMDは本来の半導体特性を持っており、1-2 eVの1,3,8の範囲のバンドギャップを有しています。 TMD 9の三元化合物およびグラフェンとこれらの化合物の統合の可能性の2D構造は前例のないオップを提供超薄型で柔軟な電子デバイスを開発するortunity。 モーゼ2 18 1 -約50 cm 2のV - 1秒 、グラフェンとは異なり、2DのTMDの室温電子移動度の値は、中程度のレベルである（1〜200センチメートル2 V - - 1秒1のMoS 2 10-17用）。 1秒- -グラフェンの最適な移動度の値が10,000 cm 2とVよりも高いことが報告されている。1 19-21しかしながら、TMDの単層は、優れたデバイス性能を示す半導体。例えば、10 6〜10 9 10,12,17,18,22までのオン/オフ比が極めて高いのMoS 2とモーゼ2単層または多層の電界効果トランジスタの展示、。従って、2DのTMDとの基本的な電気的性質を理解することが重要ですIRバルク材料。 しかし、層材料の電気的性質の研究は、部分的に結晶層のために良好なオーミックコンタクトを形成することが困難で妨げられてきました。 3つのアプローチ、シャドウマスク堆積（SMD）23、電子ビームリソグラフィ（EBL）24,25、および集束イオンビーム（FIB）堆積、26,27は、ナノ材料に電気コンタクトを形成するために使用されてきました。 SMDは、典型的には、マスクとして銅グリッドの使用を含むので、二つの接触電極間の間隔を10μmよりほとんど大きいです。 EBLとFIB堆積とは異なり、基板上の電極アレイの金属蒸着はSMD法への関心のナノ材料をターゲットまたは選択せずに実行されます。このアプローチは、金属パターンが正しく電極として個々のナノ材料の上に堆積されることを保証することはできません。 SMD方式の結果は、可能性の要素を有しています。 EBLとFIB堆積法が使用されているに走査型電子顕微鏡（SEM）システム。ナノ材料を直接観察し、電極の堆積のために選択することができます。加えて、EBLは、容易にライン幅100nmより小さい間隔コンタクト電極と金属電極を製造するために使用することができます。しかし、ナノ材料の表面にレジストの残留は、必然的に、金属電極とナノ材料との間に絶縁層が形成されるリソグラフィの間に残しました。したがって、EBLは、高い接触抵抗をもたらします。 FIB蒸着を介して電極製造の主な利点は、低い接触抵抗をもたらすことです。金属蒸着が定義された領域でイオンビームを用いて、有機金属前駆体の分解により行われるため、金属蒸着及びイオン衝撃が同時に起こります。これは、金属 - 半導体界面を破壊し、ショットキーコンタクトの形成を防ぐことができます。イオン衝撃はまた、hydrocarなどの表面汚染物質を除去することができ接触抵抗を減少させBONSと自然酸化物、。 FIB蒸着を介してオーミックコンタクトの製造は、異なるナノ材料27-29ために実証されています。また、FIB蒸着法で全体の製造手順は、EBLのそれよりも簡​​単です。 半導体層は、典型的には、異方性の高い電気伝導を示すように、層間方向の導電率は、面内方向30,31に比べて数桁低いです。この特性は、オーミックコンタクトを製造し、電気伝導度を測定することの難しさを増加させます。したがって、本研究では、FIB蒸着層の半導体ナノ構造の電気的特性を研究するために使用しました。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>HRTEM&#38;SEAD</td>
			<td>FEI (http://www.fei.com/products/tem/tecnai-g2/?ind=MS)</td>
			<td>Tecnai&#8482; G2 F-20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SEM&#38;EDS</td>
			<td>HITACHI (http://www.hitachi-hitec.com/global/em/sem/sem_index.html)</td>
			<td>S-3000H</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FIB</td>
			<td>FEI (http://www.fei.com/products/dualbeam/versa-3d/)</td>
			<td>Quanta 3D FEG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AFM</td>
			<td>BRUKER (http://www.bruker.com/products/surface-analysis/atomic-force-microscopy/dimension-icon/overview.html)</td>
			<td>Dimension Icon</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>XRD</td>
			<td>Bruker (https://www.bruker.com/products/x-ray-diffraction-and-elemental-analysis/x-ray-diffraction/d2-phaser/learn-more.html)</td>
			<td>D2 PHASER X-ray Diffractometer</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Raman</td>
			<td>Renishaw (http://www.renishaw.com/en/renishaw-enhancing-efficiency-in-manufacturing-and-healthcare--1030)</td>
			<td>inVia Raman microscope system</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Keithley-4200</td>
			<td>keithley (http://www.keithley.com.tw/products/dcac/currentvoltage/4200scs)</td>
			<td>4200scs</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ultralow current leakage cryogenic probe station</td>
			<td>Lakeshore Cryotronics (http://www.lakeshore.com/)</td>
			<td>TTP4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>copper foil tape</td>
			<td>3M (http://solutions.3m.com/wps/portal/3M/en_US/Electronics_NA/Electronics/Products/Product_Catalog/~/3M-Copper-Foil-Shielding-Tape-1182?N=4294300025+5153906&#38;&#38;Nr=AND%28hrcy_id%3A8CQ27CX0WMgs_F2LMWMM6M6_N2RL3FHWVK_GPD0K8BC31gv%29&#38;rt=d)</td>
			<td>1182</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ag paste</td>
			<td>Well-Being (http://www.gredmann.com/about.htm)</td>
			<td>MS-5000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cu wire</td>
			<td>Guv Team (http://www.guvteam.com)</td>
			<td>ICUD0D01N</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>dicing tape</td>
			<td>Nexteck (http://www.nexteck-corp.com/tw/product-tape.html)</td>
			<td>contact vender</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>mica</td>
			<td>Centenary Electronic (http://100y.diytrade.com/sdp/307600/4/pl-1175840/0.html)</td>
			<td>T0-200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>enamel wire</td>
			<td>Light-Tech Electronics (http://www.ltc.com.tw/product_info.php/products_id/57631)</td>
			<td>S.W.G #38</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

ohmic contact fabrication using a focused-ion beam technique and electrical characterization for layer semiconductor nanostructures

容易に処理2次元（2D）の構造を有する層の半導体は、次世代の超薄型で柔軟な光・電子デバイスの開発のための新たな方向性を示唆して間接ツー直接バンドギャップ遷移と優れたトランジスタ性能を発揮します。強化された発光量子効率が大きく、これらの原子的に薄い二次元結晶で観察されています。しかし、量子閉じ込め厚さを超えて、さらにはマイクロメートルスケールでの寸法効果が期待されていないことはほとんど観察されていません。本研究では、モリブデン二セレン（モーゼ2）は、2または4の端末装置として製造されたナノメートル6-2,700の厚さの範囲を有する結晶をレイヤー。オーミックコンタクトの形成に成功コンタクト金属として白金（Pt）を用いた集束イオンビーム（FIB）蒸着法により達成されました。様々な厚さを有する層の結晶は、ダイシングテープを使用して、単純な機械的剥離により調製しました。電流 - 電圧曲線measuremenTSは、ナノ結晶層の導電率値を決定するために行きました。また、高分解能透過型電子顕微鏡は、選択された領域の電子回折およびエネルギー分散型X線分析は、FIB加工さモーゼ2デバイスの金属-半導体接触のインターフェースを特徴付けるために使用されました。アプローチを適用した後、モーゼ2 -layer半導体のための広い厚さ範囲の実質的な厚さに依存する導電率が観察されました。 2700から6 nmの厚さの減少に伴って、1 - 1センチ-導電率が1500に4.6大きさの2以上のご注文によりΩを増加させました。また、温度依存性の導電率は、バルクの（36-38 meVで）に比べてかなり小さい3.5-8.5 meVでの活性化エネルギーを有するかなり弱い半導体挙動を示した薄いモーゼ2多層ことを示しました。 ProbaBLE表面優性輸送特性とモーゼ2における高い表面電子濃度の存在が提案されています。同様の結果は、MoS 2、およびWS 2などの他の層の半導体材料を得ることができます。

厚さの異なる層のナノ材料の電気伝導度（G）、導電率（σ）の決定された値は、電気接点の品質に大きく依存しています。曲線- FIB堆積製作二端子モーゼのオーミックコンタクトは、2のデバイスは、電流-電圧（V I）を測定することによって特徴付けられます。室温I - 、異なる厚さを有する2つの端子モーゼ2ナノフレークデバイスに対するV曲線</e...

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Ohmic Contact Fabrication Using a Focused-ion Beam Technique and Electrical Characterization for Layer Semiconductor Nanostructures

We describe the approaches for the device fabrication and electrical characterization of molybdenum diselenide (MoSe2) layer semiconductor nanostructures with different thicknesses. In addition, the fabrication of ohmic contacts for MoSe2-layer nanocrystals by the focused-ion beam deposition method using platinum (Pt) as a contact metal is described.

レイヤ半導体ナノ構造のための集束イオンビーム技術と電気的評価を使用したオーミックコンタクト製作

Layer semiconductors with easily processed two-dimensional (2D) structures exhibit indirect-to-direct bandgap transitions and superior transistor ...

ohmic-contact-fabrication-using-focused-ion-beam-technique-electrical

Research

JoVE Journal

Engineering

12.2K ビュー.  National Taiwan University of Science and Technology. We describe the approaches for the device fabrication and electrical characterization of molybdenum diselenide (MoSe2) layer semiconductor nanostructures with different thicknesses. In addition, the fabrication of ohmic contacts for MoSe2-layer nanocrystals by the focused-ion beam deposition method using platinum (Pt) as a contact metal is described. 

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Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on photoconduction, which has been one of the most commonly used techniques for terahertz generation 1-8. Terahertz generation in a photoconductive emitter is achieved by pumping an ultrafast photoconductor with a pulsed or heterodyned laser illumination. The induced photocurrent, which follows the envelope of the pump laser, is routed to a terahertz radiating antenna connected to the photoconductor contact electrodes to generate terahertz radiation. Although the quantum efficiency of a photoconductive emitter can theoretically reach 100%, the relatively long transport path lengths of photo-generated carriers to the contact electrodes of conventional photoconductors have severely limited their quantum efficiency. Additionally, the carrier screening effect and thermal breakdown strictly limit the maximum output power of conventional photoconductive terahertz sources. To address the quantum efficiency limitations of conventional photoconductive terahertz emitters, we have developed a new photoconductive emitter concept which incorporates a plasmonic contact electrode configuration to offer high quantum-efficiency and ultrafast operation simultaneously. By using nano-scale plasmonic contact electrodes, we significantly reduce the average photo-generated carrier transport path to photoconductor contact electrodes compared to conventional photoconductors 9. Our method also allows increasing photoconductor active area without a considerable increase in the capacitive loading to the antenna, boosting the maximum terahertz radiation power by preventing the carrier screening effect and thermal breakdown at high optical pump powers. By incorporating plasmonic contact electrodes, we demonstrate enhancing the optical-to-terahertz power conversion efficiency of a conventional photoconductive terahertz emitter by a factor of 50 10.

We describe methods for the design, fabrication, and experimental characterization of plasmonic photoconductive emitters, which offer two orders of magnitude higher terahertz power levels compared to conventional photoconductive emitters.

プラズモニック光伝導テラヘルツエミッターの設計、製作、および実験特性

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on ...

工学

Fabrication and Characterization of Disordered Polymer Optical Fibers for Transverse Anderson Localization of Light

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. The developed polymer optical fiber is composed of 80,000 strands of poly (methyl methacrylate) (PMMA) and polystyrene (PS) that are randomly mixed and drawn into a square cross section optical fiber with a side width of 250 &mu;m. Initially, each strand is 200 &mu;m in diameter and 8-inches long. During the mixing process of the original fiber strands, the fibers cross over each other; however, a large draw ratio guarantees that the refractive index profile is invariant along the length of the fiber for several tens of centimeters. The large refractive index difference of 0.1 between the disordered sites results in a small localized beam radius that is comparable to the beam radius of conventional optical fibers. The input light is launched from a standard single mode optical fiber using the butt-coupling method and the near-field output beam from the disordered fiber is imaged using a 40X objective and a CCD camera. The output beam diameter agrees well with the expected results from the numerical simulations. The disordered optical fiber presented in this work is the first device-level implementation of 2D Anderson localization, and can potentially be used for image transport and short-haul optical communication systems.

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. This microstructured fiber can transport a small localized beam with a radius that is comparable to the beam radius of conventional optical fibers.

ライトの横アンダーソン局在のために無秩序ポリマー光ファイバの作製と評価

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. The developed ...

Writing and Low-Temperature Characterization of Oxide Nanostructures

Oxide nanoelectronics is a rapidly growing field which seeks to develop novel materials with multifunctional behavior at nanoscale dimensions. Oxide interfaces exhibit a wide range of properties that can be controlled include conduction, piezoelectric behavior, ferromagnetism, superconductivity and nonlinear optical properties. Recently, methods for controlling these properties at extreme nanoscale dimensions have been discovered and developed. Here are described explicit step-by-step procedures for creating LaAlO3/SrTiO3 nanostructures using a reversible conductive atomic force microscopy technique. The processing steps for creating electrical contacts to the LaAlO3/SrTiO3 interface are first described. Conductive nanostructures are created by applying voltages to a conductive atomic force microscope tip and locally switching the LaAlO3/SrTiO3 interface to a conductive state. A versatile nanolithography toolkit has been developed expressly for the purpose of controlling the atomic force microscope (AFM) tip path and voltage. Then, these nanostructures are placed in a cryostat and transport measurements are performed. The procedures described here should be useful to others wishing to conduct research in oxide nanoelectronics.

Oxide nanostructures provide new opportunities for science and technology. The interfacial conductivity between LaAlO3 and SrTiO3 can be controlled with near-atomic precision using a conductive atomic force microscopy technique. The protocol for creating and measuring conductive nanostructures at LaAlO3/SrTiO3 interfaces is demonstrated.

書き込みおよび酸化物ナノ構造の低温特性評価

Oxide nanoelectronics is a rapidly growing field which seeks to develop novel materials with multifunctional behavior at nanoscale dimensions.  Oxide ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In this technique the chemical properties of organic photochromic molecules that undergo single-photon reactions are exploited, enabling rapid top-down nanopatterning over large areas at low light intensities, thereby, allowing for the circumvention of the far-field diffraction barrier.4 Simple, cost-effective, high throughput and resolution alternatives to nanopatterning are being explored, such as, two-photon polymerization5,6, beam pen lithography (BPL)7, scanning electron beam lithography (SEBL), and focused ion beam (FIB) patterning. However, multi-photon approaches require high light intensities, which limit their potential for high throughput and offer low image contrast. Although, electron and ion beam lithographic processes offer increased resolution, the serial nature of the process is limited to slow writing speeds, which also prevents patterning of features over large areas. Beam-pen lithography is an approach towards parallel near-field optical lithography. However, the gap between the source of the beam and the surface of the photoresist needs to be controlled extremely precisely for good pattern uniformity and this is very challenging to accomplish for large arrays of beams. Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) is an alternative optical nanopatterning technique for patterning sub-wavelength features1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities1-3, opening the door to massive parallelization.

We report that the diffraction limit of conventional optical lithography can be overcome by exploiting the transitions of organic photochromic derivatives induced by their photoisomerization at low light intensities.1-3 This paper outlines our fabrication technique and two locking mechanisms, namely: dissolution of one photoisomer and electrochemical oxidation.

光可飽和遷移を経由してパターニング - 作製と特性評価

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

Fabrication and Operation of a Nano-Optical Conveyor Belt

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological and physical sciences over the past few decades. The progress made in this field invites further study of even smaller systems and at a larger scale, with tools that could be distributed more easily and made more widely available. Unfortunately, the fundamental laws of diffraction limit the minimum size of the focal spot of a laser beam, which makes particles smaller than a half-wavelength in diameter hard to trap and generally prevents an operator from discriminating between particles which are closer together than one half-wavelength. This precludes the optical manipulation of many closely-spaced nanoparticles and&#160;limits the&#160;resolution of optical-mechanical systems. Furthermore, manipulation using focused beams requires beam-forming or steering optics, which can be very bulky and expensive. To address these limitations in the system scalability of conventional optical trapping our lab has devised an alternative technique which utilizes near-field optics to move particles across a chip. Instead of focusing laser beams in the far-field, the optical near field of plasmonic resonators produces the necessary local optical intensity enhancement to overcome the restrictions of diffraction and manipulate particles at higher resolution. Closely-spaced resonators produce strong optical traps which can be addressed to mediate the hand-off of particles from one to the next in a conveyor-belt-like fashion. Here, we describe how to design and produce a conveyor belt using a gold surface patterned with plasmonic C-shaped resonators and how to operate it with polarized laser light to achieve super-resolution nanoparticle manipulation and transport. The nano-optical conveyor belt chip can be produced using lithography techniques and easily packaged and distributed.

The scalability and resolution of conventional optical manipulation techniques are limited by diffraction. We circumvent the diffraction limit and describe a method of optically transporting nanoparticles across a chip using a gold surface patterned with a path of closely spaced C-shaped plasmonic resonators.

ナノ光学コンベヤーベルトの作製と運用

The technique of using focused laser beams to trap and exert forces on small particles has enabled many pivotal discoveries in the nanoscale biological ...

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.

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

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

Comprehensive Characterization of Extended Defects in Semiconductor Materials by a Scanning Electron Microscope

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications of semiconductor materials. However, it is still under debate how the defect structure determines the band structure, and therefore, the recombination behavior of electron-hole pairs responsible for the optical and electrical properties of the extended defects. The present paper is a survey of procedures for the spatially resolved investigation of structural and of physical properties of extended defects in semiconductor materials with a scanning electron microscope (SEM). Representative examples are given for crystalline silicon. The luminescence behavior of extended defects can be investigated by cathodoluminescence (CL) measurements. They are particularly valuable because spectrally and spatially resolved information can be obtained simultaneously. For silicon, with an indirect electronic band structure, CL measurements should be carried out at low temperatures down to 5 K due to the low fraction of radiative recombination processes in comparison to non-radiative transitions at room temperature. For the study of the electrical properties of extended defects, the electron beam induced current (EBIC) technique can be applied. The EBIC image reflects the local distribution of defects due to the increased charge-carrier recombination in their vicinity. The procedure for EBIC investigations is described for measurements at room temperature and at low temperatures. Internal strain fields arising from extended defects can be determined quantitatively by cross-correlation electron backscatter diffraction (ccEBSD). This method is challenging because of the necessary preparation of the sample surface and because of the quality of the diffraction patterns which are recorded during the mapping of the sample. The spatial resolution of the three experimental techniques is compared.

The optical, electrical, and structural properties of dislocations and of grain boundaries in semiconductor materials can be determined by experiments performed in a scanning electron microscope. Electron microscopy has been used to investigate cathodoluminescence, electron beam induced current, and diffraction of backscattered electrons.

走査型電子顕微鏡による半導体材料における拡張欠陥の総合的な特性評価

Extended defects such as dislocations and grain boundaries have a strong influence on the performance of microelectronic devices and on other applications ...

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of lithium-ion (Li-ion) batteries. However, a number of setbacks prevent their integration into commercial devices. The main limiting factor is due to nanoscale phenomena occurring at the electrode/electrolyte interfaces, ultimately leading to degradation of battery operation. These key problems are highly challenging to observe and characterize as these batteries contain multiple buried interfaces. One approach for direct observation of interfacial phenomena in thin film batteries is through the fabrication of electrochemically active nanobatteries by a focused ion beam (FIB). As such, a reliable technique to fabricate nanobatteries was developed and demonstrated in recent work. Herein, a detailed protocol with a step-by-step process is presented to enable the reproduction of this nanobattery fabrication process. In particular, this technique was applied to a thin film battery consisting of LiCoO2/LiPON/a-Si, and has further been previously demonstrated by in situ cycling within a transmission electron microscope.

Focused Ion Beam Fabrication of LiPON-based Solid-state Lithium-ion Nanobatteries for In Situ Testing

A protocol for the fabrication of electrochemically active LiPON-based solid-state lithium-ion nanobatteries using a focused ion beam is presented.

その場でテスト用 LiPON ベース固体リチウム イオン Nanobatteries の集束イオンビーム ビーム加工

Solid-state electrolytes are a promising replacement for current organic liquid electrolytes, enabling higher energy densities and improved safety of ...

Atmospheric Pressure Fabrication of Large-Sized Single-Layer Rectangular SnSe Flakes

Tin selenide (SnSe) belongs to the family of layered metal chalcogenide materials with a buckled structure like phosphorene, and has shown potential for applications in two-dimensional nanoelectronics devices. Although many methods to synthesize SnSe nanocrystals have been developed, a simple way to fabricate large-sized single-layer SnSe flakes remains a great challenge. Herein, we show the experimental method to directly grow large-sized single-layer rectangular SnSe flakes on commonly used SiO2/Si insulating substrates using a straightforward two-step fabrication method in an atmospheric pressure quartz tube furnace system. The single-layer rectangular SnSe flakes with an average thickness of ~6.8 &#197; and lateral dimensions of about 30 &#181;m &#215; 50 &#181;m were fabricated by a combination of vapor transport deposition technique and nitrogen etching route. We characterized the morphology, microstructure, and electrical properties of the rectangular SnSe flakes and obtained excellent crystallinity and good electronic properties. This article about the two-step fabrication method can help researchers grow other similar two-dimensional, large-sized, single-layer materials using an atmospheric pressure system.

A protocol is presented demonstrating a two-step fabrication technique to grow large-sized single-layer rectangular shaped SnSe flakes on low-cost SiO2/Si dielectrics wafers in an atmospheric pressure quartz tube furnace system.

大型単層長方形 SnSe フレークの大気圧作製

Tin selenide (SnSe) belongs to the family of layered metal chalcogenide materials with a buckled structure like phosphorene, and has shown potential for ...

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared on transparent membranes which are very fragile and difficult to manipulate. We present processes for the fabrication of samples with magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for Lorentz transmission electron microscopy and magnetic transmission x-ray microscopy studies. The samples are prepared on silicon nitride membranes and the fabrication consists of a spin coating, UV and electron-beam lithography, the chemical development of the resist, and the evaporation of the magnetic material followed by a lift-off process forming the final magnetic structures. The samples for the Lorentz transmission electron microscopy consist of magnetic nanodiscs prepared in a single lithography step. The samples for the magnetic x-ray transmission microscopy are used for time-resolved magnetization dynamic experiments, and magnetic nanodiscs are placed on a waveguide which is used for the generation of repeatable magnetic field pulses by passing an electric current through the waveguide. The waveguide is created in an extra lithography step.

A protocol for the fabrication of magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for transmission electron microscopy (TEM) and magnetic transmission x-ray microscopy (MTXM) studies is presented.

磁気渦の研究伝達顕微鏡検査の技術を使用してシリコン窒化膜の磁性ナノ構造の作製

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...