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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我々 は次の金融サポートを認める科研費は日本学術振興会から特別研究 (No. 25000003) を推進、科研費研究活動スタート支援 (No.15H06133) および挑戦的な研究 (予備) (no.JP17K18748) 日本の文部科学省から。

1. WS 2 (NTs) カーボンナノ チューブ基板上の分散
<ol><li>イソプロピル アルコール (IPA 濃度 99.8% 以上) (約 0.1 mg/mL) 適切な希釈率に 20 分間超音波処理による WS2 NT 粉末を分散します。 注: 長い間超音波処理により WS2国税庁を均一に IPA 液体およびアモルファス WS2から別の整形式個別 WS の2の NTs に中断またはその他のがらくたにするし、WS2 NTs に蓄積するゴミを削除するには表面。図 2 bは、WS2 NTs の最終的な停止を示しています。懸濁液は、超音波処理中に熱される可能性があります、ので、5 分ごとに超音波処理を停止し、1 分後超音波処理を続行することをお勧めします。</li>
	<li>WS2 NTs 基板上に分散させるためにスピン コーティング手順。<ol>
<li>スピンコーター マシン、真空ポンプを起動します。Si/SiO2を置く (3000 Å) チャックや真空ポンプによってそれは 80 L/分の高速化修正のセンター、20 kPa の圧力で基板 (1 cm × 1 cm)。 注: 真空ポンプに接続するチャックの中央にある穴がある、真空圧で基板を固定するため (80 L/分は、排気速度と到達圧力は 20 kPa)。真空圧力は、ポンプによって異なることがあります。</li>
		<li>スピンコーター マシンのコントロール パネルによってプロシージャの関連するパラメーターを設定します。 注: スピン コーティング手順中に 3 つのステップがある: (1) ゆっくりと最初の 3 の内で最大 500 rpm の速度 s、(2) 急速に 4000 rpm までを高速化し、50 s、(3) を遅く、最後の 3 回転して停止を続ける s。これらのパラメーターは、スピン コーターの使用によって異なります。</li>
		<li>基板が懸濁液によって完全に覆われるまで、基板上にピペットで (1.1) で行われた WS2 NT の懸濁液の 1 滴 (約 0.01 mL) を入れて (ない場合より多くの滴を置く)。開始し (1.2.2) で関連するパラメーターをスピンにコーティングする場合。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. セロハン テープ法による基板上の薄いフレークの準備
<ol><li>スコッチ テープに WS2 (化学気相輸送法による栽培) の小型バルク サンプルを置きます。スコッチ テープを折り、バルクから薄層を機械的に剥離にゆっくりとそれを展開します。数回、剥離のサンプルが十分に薄くなるまでこの手順を繰り返します。 注:図 2 gと2 h WS2の小さなバルク サンプルと初期のテープと最終的なテープ複数の折り畳み手順後各々 示します。</li>
	<li>上下基板の上にセロハン テープを貼り付け、テープを少し押し、慎重に基板の上からテープを取り外します。 注: テープを除去した後、基板に残って多くの薄いフレークがあります。</li>
</ol>3. 電子ビーム露光により作製。
<ol><li>電子ビーム露光用レジストをカバーするスピン コーティング プロセス。<ol>
<li>(1.2.1) で説明した同じスピン コーティング手順と (1.2.2) に従います。</li>
		<li>入れて 1 滴 (約 0.04 mL) ポリメチルメタクリ レート (PMMA) のピペットで基板に基板が PMMA によって完全に覆われるまで。空気の漏れるを防ぐために WS2サンプルの PMMA を均一にカバーするスピン コーティング手順を開始します。 注: PMMA は電子ビーム露光用レジストの一つであります。</li>
		<li>スピン コーティング後、180 ° C でホット プレートに基板を置くし、1 分の熱します。 注: これらのパラメーターはレジストの種類に応じて異なるすることができます。</li>
	</ol></li>
	<li>光学顕微鏡によるサンプルの選択。<ol>
<li>光学顕微鏡とカメラを起動します。ステージ上の基板を置きます。</li>
		<li>ステージを移動し適切な倍率 (20 X) による基板の全体の領域をスキャンし、一方で、適当な大きさの分離のサンプルを選択します。 注: 合計で 6 に 10 分離サンプル通常選択できます各 1 cm x 1 cm の基板に対応。</li>
		<li>5 X、20 X、100 X の倍率の異なる各選択したサンプルの写真を撮る。これらの写真を使用して、各サンプルの場所を識別します。</li>
	</ol></li>
	<li>大規模なデバイス パターンのデザイン。<ol>
<li>AutoCAD のソフトウェアをアクティブにし、基板格子のフォーマットをロードします。(3.2) で撮影した写真を挿入し、サイズや基板上のマークによってそれぞれの写真の場所を特定します。</li>
		<li>1200 μ m の長さを持つ大きな広場と各サンプルを囲む必要があります 300 μ m の長さの小さな正方形を挿入します。</li>
		<li>試料近傍の微細構造を除いて大きい正方形のゲート、ソース、ドレインと他のパッドを含む大規模なパターンを設計します。小規模デバイス パターンの設計のより遅いプロセスのサンプルの場所を正確に識別するためにサンプルに近い小さなマークをデザインします。</li>
		<li>すべてのサンプルのため (翻訳 3.3.3 で) (3.3.2) を繰り返します。</li>
		<li>それぞれの大小の正方形の中心の座標をそれぞれ記録します。</li>
		<li>挿入された写真、大小の正方形および基板格子形式、設計された大規模なパターンと小さなマークだけを残して削除します。それぞれ大規模なパターンと小さなマークを dxf ファイルとしてエクスポートします。</li>
	</ol></li>
	<li>最初の電子ビーム露光。<ol>
<li>ステージ上の基板を置くと、それを修正、ステージを電子ビーム露光機の主室に挿入します。</li>
		<li>ECA プログラム (電子ビーム プロセスで使用されるファイルを生成するためのプログラム) をアクティブにします。小さなマークのリソグラフィ用 300 としてフィールドのサイズを設定します。携帯ファイルに dxf ファイルを転送するのにファイル dxf ファイルコンバーターのツールを使用します。</li>
		<li>(3.4.2) で生成された携帯ファイルを読み込むファイル名を入力、起源を識別し、(3.3.5) に記載されている小さな四角形の座標を持つ点を識別します。最後に、大きい A の座標を特定し、B マークと小さな A と B が各ポイントのマークします。 注: 大規模な A と B マークは小さな A と B 間の段階の方向を修正するため小規模なパターン設計のプロセス中に設計されたパターンと印刷されたパターンの不一致を識別するに使用されます。</li>
		<li>Con ファイルとしてファイルを保存し、メインのチャンバー内の圧力が 5 x 10-5 pa. より下まで待つ 注: 高エネルギー電子ビームからこそ (50 kV 加速電圧の)、真空の高品質が必要です。</li>
		<li>主室の圧力が少なくなると十分な電子線リソグラフィー プロセス電子ビーム制御プログラム ESL 7500 をアクティブにし、後電子銃で有効します。</li>
		<li>走査型電子顕微鏡 (SEM) をオンにし、基板の画面位置にステージを移動します。明るさ、コントラスト、およびフォーカスを調整します。</li>
		<li>大規模な A と B の相対的な位置から判断することによってステージの角度を調整方向の誤差が 5000 X の倍率で無視できる程度になるまで、基板上に元々 マーク。ステージの方向を修正した後大型の位置にマークを登録します。</li>
		<li>リソグラフィー; 用電子ビームの振幅を設定します。100 pA は、小さなマーク リソグラフィ用です。振幅をチューニングするための位置にステージを移動し、カメラのスポット モードを選択、アンペア メーターで 100 pA までビームの振幅を変更します。電子ビームの振幅を設定した後、明るさ、コントラスト、およびフォーカスを調整します。</li>
		<li>保存された ECA プログラム (3.4.4) con ファイル。関連するパラメーターの設定: 2 投与時間のフィールド サイズの 300 s。最後に露光プロセスを開始します。 注: 線量時間もレジストによって異なることができます。</li>
		<li>戻って電子ビーム制御プログラム ESL 7500 5000 X の倍率を設定してマーク大型の登録位置にステージを移動させます。大規模な A と B の位置を確認マーク。</li>
		<li>30000 X の倍率を設定し、小さな A と B の位置を (3.3.3) で設計された最初の小さなマークのリソグラフィ用マークを確認します。 注: リトグラフは、後小さい適合マークし、いくつかの秒かかるを開始します。</li>
		<li>リトグラフを終えた後に、すべてのサンプルのこの手順を繰り返します。最後に、露光工程を終了し、ECA のプログラムを終了します。</li>
		<li>(3.3.3) で設計された大規模なパターンの露光のさまざまなパラメーターを持つ (3.4.10) (3.4.2) から同じプロセスに従います。(3.4.2) で 1200 としてフィールドのサイズを設定します。(3.4.3) で大規模な A と B の座標を特定するだけ小さい A と B を除いてマークをマークします。(3.4.8) で大規模なパターンのリソグラフィ用 1000 pA として電子ビームの振幅を設定します。(3.4.9) でフィールドのサイズの 1200 を選択します。 注: (3.4.10) のプロセスは、大規模なパターンの露光が開始され数時間かかります。</li>
		<li>元の位置にステージを移動する大規模なパターンの露光を終えた後電子ビームをオフにし、露光工程と ECA プログラムを終了します。メイン会議室を開く、基板を取り出してください。</li>
	</ol></li>
	<li>最初の開発。<ol>
<li>メチルイソブチルケトン (MIBK) の溶液を作成、MIBK 比 IPA: IPA = 1:3。30 のためのソリューションに基板を浸す s、IPA 液で洗いし、乾燥窒素銃。 注意: 開発時温度や湿度などの環境条件により異なります。</li>
		<li>5 X、20 X、100 X の倍率の異なる各印刷パターンの光学顕微鏡で写真を撮る。</li>
	</ol></li>
	<li>小規模デバイス パターンのデザイン。<ol>
<li>(3.3) の同じプロセスに従います。(3.3.1) のロード (3.3.3) で設計された小さなマークを含む基板格子のパターン、最初の開発の後撮影した写真を挿入します。 注: サイズと各写真の位置は、基板上のマークではなく (3.3.3) でデザインされた小さなマークに依存します。</li>
		<li>ソース、ドレイン ホール バー構成で、印刷された大規模なパターンに接続されている小さな正方形で他の電極とデバイス パターンの微細構造を設計します。すべてのデバイスのための小さなパターンをデザインした後、小さな四角形の座標を記録します。</li>
		<li>挿入された写真、小さな正方形と基板パターン、デザインの小さなパターンだけを残して削除します。小さなパターンを dxf ファイルとしてエクスポートします。</li>
	</ol></li>
	<li>2 番目の電子ビーム露光。<ol>
<li>(3.6); で設計された小さなパターンの露光の同じパラメーターを持つ (3.4.11) に (3.4.1) から同じプロセスに従うフィールド サイズを 300 に設定し、電子ビームの振幅 100 pA を選択します。 注: リソグラフィ プロセスは小さなパターンごとに数分をかかります。</li>
		<li>小さなパターンの露光後ステージを元の位置に移動切り電子ビーム、露光工程を終了、ECA プログラムを閉じます。メイン会議室を開く、基板を取り出してください。</li>
	</ol></li>
	<li>2 番目の開発。<ol>
<li>30 と同時開発で (3.5) の同じプロセスに従います s。</li>
		<li>5 X、20 X、100 X の倍率の異なる各パターンの光学顕微鏡で写真を撮る。</li>
	</ol></li>
</ol>4. 電極の成膜
<ol><li>金電極の成膜。<ol>
<li>基板ホルダーに基板を修正、転送のロッド、基板ホルダーを置くし、蒸発器の主室に挿入します。基板ホルダーを回転を開始します。</li>
		<li>5 の Cr の最初の預金として接着層厚さの nm。メインのチャンバー内の圧力がより小さい 10-4 Pa になったら、高電圧源を入れます。</li>
		<li>慎重に 4 の固定の加速電圧で電子銃の電流を増やす kV、膜厚モニターを用いて堆積率が約 0.5 Å/秒安定するまで (通常約 5 の Cr を蒸発させる事前 nm)。</li>
		<li>シャッターを開き、5 に到達するまで Cr を預金 nm 厚。シャッターを閉じて、ゆっくり 0、電子銃の電流を減少させるし、高電圧源をオフに。</li>
		<li>その後適切な厚さの Au を入金します。現在のソースをオンにし、徐々 に膜厚モニターを用いて堆積率になる安定した約 1 Å/秒まで 30 A の電流を維持することで 30 A. 蒸発させなさい Au まで電流を増やす (通常約 10 Au を蒸発させる事前 nm)。</li>
		<li>シャッターを開いて、Au を入金します。目的の厚さに達し後、シャッターを閉じます、ゆっくりゼロに電流を減少させるし、現在のソースをオフに。 メモ: 我々 は 60 を使用して薄いフレークと 90 nm NT の nm。適切な厚さはサンプルによって異なります。</li>
		<li>基板の成膜プロセスの間に熱される、ので、部屋の温度に近い温度を冷やすために 1 h のチャンバ内の基板のまま。基板ホルダーの回転を止めるし、転送棒でそれを取り出します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>SiO2保護層の堆積。<ol>
<li>光学顕微鏡の助けを借りて、パッドとゲート電極をテープでカバーします。 注: 原則として、電極の微細構造のみが預金 SiO2層電解質ゲートでの化学反応に対する電極の保護のために公開されます。</li>
		<li>5 の Cr を入金する (4.1.4) (4.1.1) から同じプロセスに従ってください nm 厚の接着層として。</li>
		<li>その後同じ手順 (4.1.1) から (4.1.4) に 20 の SiO2を入金する nm 厚。 注: SiO2の堆積速度は約 1 Å/秒、あらかじめ約 10 の SiO2を蒸発しながら nm。</li>
		<li>1 h. 基板ホルダーは回転を停止のチャンバ内の基板を冷やすし、転送棒でそれを取り出します。顕微鏡の下にテープを削除します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. デバイスの完了
<ol><li>基板のスクライブ。<ol>
<li>スクライブ マシンと 50 L/分の排気速度 30 kPa の圧力と真空ポンプを入れます。真空チャックによるステージで基板を修正し、基板の位置や角度を調整します。</li>
		<li>小さな断片に基板のスクライブ (通常約 3 mm × 3 mm)。 注: 各部分のサイズは、各選択したサンプルとデザイン パターンの場所によって異なります。</li>
	</ol>
</li>
	<li>デバイス リフトオフ。<ol>
<li>1 つのデバイスを選択し、冗長 PMMA と金を削除する部屋の温度で 1 時間 (濃度 99.5% 以上) アセトンに浸漬します。基板に作製した電極のみが残されています。</li>
		<li>リフトオフ プロセス後 IPA による基板を洗浄し、乾燥窒素銃。</li>
	</ol>
</li>
	<li>ワイヤーボンディング。<ol>
<li>ワイヤボンディング マシンをオンにします。貼り付けスライバーを介してチップ キャリアに基板を修正します。 注: WS2 NT の場合は、 2 n 図に示すように水平方向の回転子を使用しています。</li>
		<li>ワイヤボンディング マシンの助けを借りて、各電極パッドと金ワイヤとチップ キャリア一つずつの電極を接続します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>電解質液滴を置きます。<ol>
<li>電解質液に浸漬した後、デバイスの上にピンセットで電解質 (未満 0.5 μ L) の液滴を置きます。 注: 電解質の量は非常に少ないです。デバイスの微細構造とゲート パッドは、電極パッドをカバーを回避できます。私たち KClO4 (濃度 99% 以上) ポリエチレング リコール (PEG; に溶解した電解質を使用してください。Mw = 600) [k]: [O] 比 1:20 前文書38によると。</li>
	</ol>
</li>
</ol>6. 輸送測定
<ol><li>サンプル ホルダーにチップ キャリアを修正し、転送棒によって物理特性測定装置のチャンバーの内側に配置します。高次モードの真空チャンバーをポンプします。</li>
	<li>ロックイン アンプ、ナノ電圧計、ソース メーターとアンプを含む計測システムに接続します。AC ロックで測定を実行する 13 Hz の周波数で一定の交流電流 (AC) を適用します。</li>
	<li>Keysight VEE (測定プログラム) を実行します。</li>
	<li>ゲート反応、電解質に適用するゲート電圧の測定 (すなわちsource と gate の間、電極)、の空気の影響を減らすため高真空条件下で 300 K で 50 mV/s の速度でゲート電圧を掃引、。ゲートのパフォーマンス。</li>
	<li>抵抗の温度依存性の測定、最初 1 K/分、高真空状態での冷却速度で 200 K まで冷却彼パージ状態を変更し、1 K/分の冷却速度と 10 K まで冷却を維持します。温度は、10 K より低いが、クールダウンし、0.2 K/分の速度でウォーム アップ。 注: 彼パージ条件、熱コンダクタンスと結果の温度の安定性は高真空状態のそれらより。</li>
</ol>

著者が明らかに何もありません。

WS2 NTs とフレークの両方で我々 制御に成功しました電気的特性による静電気防止または電気化学ドーピング。
静電ドーピング地域における両極性トランジスタ動作が観察されています。高いオン/オフ比とそのような両極性伝達曲線 (> 102) で観測された低バイアス電圧電解質ゲーティング技術これらのシステムのフェルミ レベルを調整するためのインタ?...

キャリア数の制御は、固体1の量子相転移を実現する重要な技術です。従来の電界効果トランジスタ (FET)、それは強固な門1,2の使用によって実現されます。このようなデバイスの電位勾配は誘電体全体に均一界面誘起キャリア数が限られた、図 1 aに示されているように。
その一方で、イオン性ゲル/液体や高分子電解質3,4,5,6、固体誘電体材料に置き換えてインターフェイスまたは一括で高いキャリア密度を実現します 7,8,9,,1011 (図 1 b)。イオン液体を用いた静電ドーピングで電気二重層トランジスタ (EDLT) の構造は強い電界を生成するサンプルとイオン液体界面に形成される (> 0.5 V/Å) 低電圧でも。結果高いキャリア濃度 (> 1014 cm-2) 小説電子プロパティまたは量子相転移などインターフェイス10,12,13原因で誘発電気磁場誘起強磁性14、クーロン ・ ブロッケード15、両極輸送16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27、p-n 接合の結果 electroluminance28,29,30、熱電力31,32、大変調形成電荷密度波とモット転移33,34,35, と電気磁場誘起絶縁体-金属転移36,37電気磁場誘起超伝導9 を含む ,,1011,38,39,40,41,42,43,44 ,45,46,47,48,49。
電解質、ゲートの開閉 (図 1 c) イオン フォーム EDLT へのインタ フェースでのみ蓄積しないがダメージを与えるサンプル大きいゲート電圧を印加することがなく熱拡散による二次元材料の層にも挟むことができます。電気化学的ドーピング8,9,11,34,38,50,51,52,53につながる.したがって、我々 は大幅に固体のゲートを用いた従来型電界効果トランジスタと比較してキャリア数を変更できます。電解質ゲート大型タンカーの地域での使用による電気磁場誘起超伝導9,11,34,38,50を実現する特に、数は従来の固体のゲーティング法によるぁあ。
トランジスタ動作と電気磁場誘起超伝導半導体 WS この記事では、我々 は固体および概要キャリア数制御のこのユニークな技術を紹介 WS2フレークなど WS2 2サンプルカーボンナノ チューブ54,55,56,57。

<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

電解質ゲートによるキャリア数制御の方法が示されています。我々 は、WS2カーボンナノ チューブの懸濁液を分散させることによってセロハン テープ法や個々 の WS2カーボンナノ チューブを介して原子レベルで平坦で薄いフレーク WS2を取得しています。電子ビーム露光を用いてデバイスに選択したサンプル作製し、デバイスに電解質を置きます。ゲート電圧を印加素子の電子特性を特徴付けた。微小なゲート電圧領域における電解質中のイオンは、大きい電気潜在的なドロップと結果電界効果キャリア ドーピング界面につながるサンプルの表面に蓄積されます。両極性の伝達曲線は、この静電ドーピング地域で観察されています。ゲート電圧がさらに拡大、イオンは WS2層に挟在し、電気化学的ドーピングの実現を意味するソース ・ ドレイン間の電流の別の急激な増加に会った。このような電気化学的ドーピング地域で超伝導が観測されています。フォーカスの手法は、電気に提出誘起量子相転移を達成するための強力な戦略を提供します。

個々 の WS2 NT と WS2フレーク デバイスの典型的なトランジスタ操作はそれぞれ、図 3 a 3 bに表示されるソースがゲート電圧 (V の関数として (私DS) 電流を放電 G) 以前の文書58で従来の固体ゲート FET による単極ゲート応答に顕著な対照を示す両極性モードでうまく動作し?...

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

ここでは、電解質を用いた固体キャリア数を制御するためのプロトコルを提案する.

電解質ゲートによって WS2ナノデバイスにおける電子状態の電界制御

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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11.3K ビュー.  The University of Tokyo. ここでは、電解質を用いた固体キャリア数を制御するためのプロトコルを提案する.

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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.

ゲート定義のGaAs / AlGaAs系横量子ドットのナノファブリケーション

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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.

サイズを微調整すると固体ナノ細孔のノイズを最小限

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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.

クーロン不純物を走査トンネル顕微鏡研究のためのゲート - 調整可能なグラフェンデバイスの作製

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.

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 ...

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.

高イオン強度ソリューションで感知するためのカーボンナノチューブ高周波ナノエレクトロニクスバイオセンサーの作製

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

生物工学

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.

生きているバイオ フィルムにおける電子輸送特性評価

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

化学

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.

誘電泳動の流れ支援: 高性能低温硬化型ナノワイヤ デバイス作製のための低コストの方法

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.

電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御

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.

二次元ナノエレクトロニクスを作製する標準および信頼性の高いメソッド

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.

化学とバイオセンシングアプリケーション用のシリコンナノワイヤ電界効果トランジスタの作製

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

電解質ゲートによって WS₂ナノデバイスにおける電子状態の電界制御

要約

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ゲート定義のGaAs / AlGaAs系横量子ドットのナノファブリケーション

サイズを微調整すると固体ナノ細孔のノイズを最小限

クーロン不純物を走査トンネル顕微鏡研究のためのゲート - 調整可能なグラフェンデバイスの作製

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

高イオン強度ソリューションで感知するためのカーボンナノチューブ高周波ナノエレクトロニクスバイオセンサーの作製

生きているバイオフィルムにおける電子輸送特性評価

誘電泳動の流れ支援: 高性能低温硬化型ナノワイヤデバイス作製のための低コストの方法

電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御

二次元ナノエレクトロニクスを作製する標準および信頼性の高いメソッド

化学とバイオセンシングアプリケーション用のシリコンナノワイヤ電界効果トランジスタの作製

電解質ゲートによって WS2ナノデバイスにおける電子状態の電界制御

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ゲート定義のGaAs / AlGaAs系横量子ドットのナノファブリケーション

サイズを微調整すると固体ナノ細孔のノイズを最小限

クーロン不純物を走査トンネル顕微鏡研究のためのゲート - 調整可能なグラフェンデバイスの作製

単電子揚水用のシリコン金属酸化膜半導体量子ドット

高イオン強度ソリューションで感知するためのカーボンナノチューブ高周波ナノエレクトロニクスバイオセンサーの作製

生きているバイオ フィルムにおける電子輸送特性評価

誘電泳動の流れ支援: 高性能低温硬化型ナノワイヤ デバイス作製のための低コストの方法

電解質水溶液中に流れる電気流体力学の発生と制御

二次元ナノエレクトロニクスを作製する標準および信頼性の高いメソッド

化学とバイオセンシングアプリケーション用のシリコンナノワイヤ電界効果トランジスタの作製

電解質ゲートによって WS₂ナノデバイスにおける電子状態の電界制御

生きているバイオフィルムにおける電子輸送特性評価

誘電泳動の流れ支援: 高性能低温硬化型ナノワイヤデバイス作製のための低コストの方法