Umwandlung eines mehrschichtigen MoTe2-Transistors zwischen P-Typ und N-Typ und ihre Verwendung in Wechselrichter

Hintergrund

Graphen und ähnliche zweidimensionale (2D) Materialien existieren in massiver Form als Stapel stark verbundener Schichten mit schwacher Anziehung zwischen den Schichten, die sich in atomar dünne Schichten ablösen lassen, was neue Möglichkeiten für die Erforschung der 2D-Physik eröffnet hat die der neuen Materialanwendungen [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Von diesen weisen Halbleiter-Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) beträchtliche Bandlücken auf [2, 3, 10, 11]. Darüber hinaus sind diese 2D-TMD-Flakes flexibel und frei von baumelnden Bindungen zwischen benachbarten Schichten [12, 13]. Diese einzigartigen Eigenschaften machen TMDs zu vielversprechenden Kandidaten für den Bau elektronischer und optoelektronischer Bauelemente [2,3,4, 14], wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren (FET) der nächsten Generation bei unter 10 nm [15], Inverter [16,17,18 ,19,20,21,22] und On-Chip-Leuchtdioden (LED) [23,24,25] und Van-der-Waals-Heterostruktur-Bauelemente [4, 5, 26, 27, 28].

Molybdänditellurid vom 2H-Typ (2H-MoTe₂ .) ) ist eine der typischen 2D-TMDs, die in Bulk-Form eine indirekte Bandlücke von 0,83 eV [29] und eine direkte Bandlücke von 1,1 eV hat, wenn sie zu einer Monoschicht verdünnt wird [30]. 2H-MoTe₂ wurde für Anwendungen in der Spintronik [31], FET [32,33,34], Photodetektor [35,36,37,38] und Solarzelle [39] untersucht. Wie die meisten 2D-Materialien auch mehrschichtiges 2H-MoTe₂ hat ein sehr hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und ist daher empfindlich gegenüber verschiedenen Einflüssen der Umgebung. Daher ist es schwierig, seine intrinsischen Eigenschaften zu erhalten. Die Oberfläche und Grenzfläche von 2D-Materialien und verwandten Geräten waren schon immer Hotspots der Forschung, um eine höhere Leistung zu erzielen. Hier fertigen wir ein mehrschichtiges 2H-MoTe₂ Transistor, dessen Source- und Drain-Elektrodenschichten hergestellt werden, und dann ein mehrschichtiges MoTe₂ Probe wird übertragen, um die Source- und Drain-Elektroden als Transistorkanal zu überbrücken. Das ganze MoTe₂ Die Probe wird der Luft ausgesetzt, einschließlich des Kanals und des Kontaktteils, was vorteilhaft ist, um den Einfluss von Absorbaten auf die Ladungstransporteigenschaften von mehrschichtigem MoTe₂ . zu untersuchen Transistor. Es werden Messungen des vakuum- und temperaturabhängigen Ladungstransports durchgeführt. Die experimentellen Daten zeigen, dass mehrschichtiges MoTe₂ Transistor ist ein n-Typ in Bezug auf die intrinsische Leitfähigkeit. Jedoch kann das der Luft ausgesetzte Bauelement mit Absorbaten dotiert und in einen luftstabilen p-Typ-Transistor umgewandelt werden. Wir folgern, dass die intrinsische n-Leitfähigkeit von mehrschichtigem MoTe₂ Transistor wird Tellur(Te)-Leerstellen zugeschrieben, was durch Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) bestätigt wird. Die Umwandlung in p-Leitfähigkeit in Luft kann durch die Tatsache erklärt werden, dass in Luft absorbierter Sauerstoff und Wasser einen Elektronentransfer von MoTe₂ . induzieren können in ein Sauerstoff/Wasser-Redoxpaar, das n-Typ mehrschichtiges MoTe₂ . umwandelt Transistor zum p-Typ. Schließlich basierend auf dem mehrschichtigen n-Typ- und p-Typ-MoTe₂ Transistoren demonstrieren wir einen komplementären Inverter, der ein symmetrisches Eingangs-/Ausgangsverhalten und Verstärkungswerte von 9 bei V . zeigt _DD = 5 V.

Ergebnisse und Diskussion

Anders als das zuvor berichtete mehrschichtige MoTe₂ Transistors ist unser Gerätediagramm in Abb. 1a dargestellt. Wir stellen zuerst Source-Drain-(SD)-Elektroden her, die aus einem Cr/Au-Film auf SiO₂ . bestehen /p ⁺ -Si-Substrat. Dann eines der mehrschichtigen MoTe₂ Proben, die auf einem anderen SiO₂ . hergestellt wurden / p ⁺ -Si-Substrat wird übertragen, um die Source-Drain-Elektroden als Transistorkanal zu überbrücken. Das MoTe₂ Die mit dieser Methode hergestellte Probe ist sauber und frei von Polymerkontaminationen bei der Geräteherstellung. Außerdem das ganze MoTe₂ Die Probe wird der Luft ausgesetzt, einschließlich des Kanals und des Kontaktteils, wodurch es einfacher wird, Absorbate zu entfernen und die intrinsische Leitfähigkeit von mehrschichtigem MoTe₂ zu erhalten Transistor. Ein optisches Bild eines hergestellten mehrschichtigen MoTe₂ Der Transistor ist in Abb. 1b mit einer Kanallänge von 10 μm gezeigt. Das MoTe₂ Kanal wird durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) charakterisiert (siehe Abb. 1c). Das aus der Markierung im AFM-Bild erhaltene Höhenprofil (siehe Abb. 1d) zeigt an, dass die Dicke von MoTe₂ Probe ist etwa 17 nm groß (bestehend aus 24 MoTe-Monoschichten₂ ) [40]. Die charakteristischen Raman-aktiven Modi von A_1g (172 cm ⁻¹ ), E ¹ _2g (233 cm ⁻¹ ) und B ¹ _2g (289 cm ⁻¹ ) werden deutlich beobachtet, wie in Abb. 1e gezeigt, was die gute Qualität von 2H-MoTe₂ . anzeigt nach dem Übertragungsprozess [41].

Mehrschichtiges MoTe₂ Transistor und seine Eigenschaften. a Illustration von MoTe₂ Transistordiagramm. b Optisches Bild eines der hergestellten Transistoren aus mehrschichtigem MoTe₂ Kanal- und SD Cr/Au-Elektroden. c AFM-Bild des Transistorkanals in b . d Höhenprofil des mehrschichtigen MoTe₂ . e Raman-Spektrum des mehrschichtigen MoTe₂ im Transistorkanal

Das fabrizierte mehrschichtige MoTe₂ . mit Back-Gate Transistoren werden mit dem Agilent B1500A Halbleiteranalysator in der Lakeshore-Sondenstation gemessen, der auf einen Basisdruck von 1 × 10 ⁻⁵ . gepumpt werden kann mbar und realisieren 9~350 K Temperaturanpassung. Abbildung 2 zeigt die elektrischen Eigenschaften eines mehrschichtigen MoTe₂ Transistor in Luft bei Raumtemperatur (RT). Die Übertragungseigenschaften bei Source-Drain-Spannung V _sd = 1 V in Fig. 2a zeigen, dass sich der Transistor bei negativer Gate-Spannung im eingeschalteten Zustand und bei positiver Gate-Spannung im ausgeschalteten Zustand befindet. Die Transformationsspannung vom eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand ist nahezu null, was eine typische Charakteristik eines p-Typ-Transistors ist. Wiederholungsmessungen zeigen die gleichen elektrischen Ansteuerungseigenschaften (siehe zusätzliche Datei 1:Abbildung S1). Vier weitere mehrschichtige MoTe₂ Transistoren weisen auch ähnliche elektrische Gate-Eigenschaften vom p-Typ auf, wie in Zusätzliche Datei 1:Abbildung S2 gezeigt. Wir bereiten auch andere Geräte mit Dicken von 5 nm, 38 nm und 85 nm vor, wie in Zusätzliche Datei 1:Abbildung S3 gezeigt. Wenn das MoTe₂ Die Dicken betragen 5 nm und 38 nm, beide vorbereiteten Geräte zeigen eine p-Leitfähigkeit, aber einen kleinen Einschaltstrom im Vergleich zu dem Gerät in Abb. 2 und zusätzlicher Datei 1:Abbildung S2. Wenn die Dicke auf 85 nm ansteigt, verschwindet der Gating-Effekt, wie in Zusätzliche Datei 1:Abbildung S3 (l) gezeigt. Diese Daten zeigen, dass die p-Leitfähigkeit in Luft für mehrschichtiges MoTe₂ . universell ist Transistor. Aus den Übertragungscharakteristiken in Fig. 2a können wir das Ein-Aus-Verhältnis, das Schwingen unter der Schwelle (SS) und die Feldeffektmobilität (μ) erhalten, die 6 × 10 ³ . betragen , 350 mV/dec und 8 cm ² /V·s.

Elektrische Eigenschaften von mehrschichtigem MoTe₂ Transistor in Luft bei RT. a Übertragungseigenschaften von MoTe₂ Transistor bei V _sd = 1 V in Luft. b Ausgangseigenschaften von MoTe₂ Transistor bei V _bg = − 20 V, − 15 V, − 10 V, − 5 V, 0 V und 5 V. c Übertragungseigenschaften von MoTe₂ Transistor bei verschiedenen V _sd . d Ein-Strom-, Aus-Strom- und Ein-Aus-Stromverhältnis als Funktion von V _sd

Abbildung 2b zeigt die Ausgabeeigenschaften des mehrschichtigen MoTe₂ Transistor bei Back-Gate-Spannung V _bg = − 20 V, - 15 V, - 10 V, - 5 V, 0 V und 5 V. Wie zu sehen ist, ist die Reaktion im Wesentlichen linear, insbesondere bei niedriger Vorspannung von V _sd , was darauf hinweist, dass eine vernachlässigbare effektive Schottky-Barrierehöhe (Φ _SB ) zwischen Au und MoTe₂ in der Luft. Die Übertragungseigenschaften bei verschiedenen Source-Drain-Vorspannungen, wie in Abb. 2c gezeigt, zeigen, dass der Einschaltstrom linear mit der Vorspannung V . ansteigt _sd , gezeigt in Fig. 2d, die mit den Ausgangseigenschaften übereinstimmt. Währenddessen steigt der Ausschaltstrom und das Ein-Aus-Verhältnis sinkt mit V _sd steigt. Dies kann auf den Fallenstatus in MoTe₂ zurückgeführt werden Kanal aus Absorbaten und Grenzflächenzustand. Die Hysterese in den Übertragungseigenschaften (siehe Zusätzliche Datei 1:Abbildung S4) bestätigt außerdem das Vorhandensein des Trap-Zustands in MoTe₂ Transistor [42,43,44,45].

Wir untersuchen weiter die p-Leitfähigkeit von mehrschichtigem MoTe₂ Transistor bei verschiedenen Vakuums. Dies ist hilfreich, um den Einfluss von absorbiertem Sauerstoff und Wasser auf die Ladungstransporteigenschaften zu verstehen. Abbildung 3a zeigt die Übertragungseigenschaften bei V _sd = 1 V als Funktion des Vakuums ("atm" entspricht Atmosphäre). Die wichtigsten Änderungstendenzen sind durch rote Pfeile deutlich gekennzeichnet, ähnlich wie beim Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistor [44]. Erstens nimmt der Einschaltstrom mit zunehmendem Vakuum ab, was teilweise auf die Verschiebung der Schwellenspannung zurückzuführen ist, die durch Absorbate verursacht wird, aber hauptsächlich auf die Zunahme des Vorrichtungswiderstands bei abnehmenden Absorbaten, einschließlich des Kanal- und Kontaktwiderstands. Die nichtlinearen Ausgangskennlinien, wie in Abb. 3b gezeigt, zeigen die verbesserte effektive Schottky-Barriere zwischen Au und MoTe₂ in 2,9 × 10 ⁻⁵ mbar-Vakuum, was darauf hindeutet, dass die effektive Schottky-Barrierehöhe durch Absorbate in Luft verändert wird. Zweitens nimmt der Ausschaltstrom bei positiver Ansteuerung mit dem Vakuum zu, was bedeutet, dass die Elektronenleitfähigkeit zunimmt, wenn die Absorption abnimmt, und legt nahe, dass die n-Leitfähigkeit in mehrschichtigem MoTe₂ . unterdrückt wird Transistor durch Absorbieren in Luft.

Elektrische Eigenschaften vom P-Typ von mehrschichtigem MoTe₂ Transistor im Vakuum. a RT-Übertragungseigenschaften eines p-Typ-MoTe₂ Transistor bei V _sd = 1 V als Funktion des Vakuums. b RT-Ausgangscharakteristik eines p-Typ MoTe₂ Transistor bei verschiedenen V _bg in 2,9 × 10 ⁻⁵ mbar Vakuum

Obwohl der Ein-Strom abnimmt und der Aus-Strom zunimmt, nachdem partielle Absorbate im Vakuum eliminiert wurden, ist das mehrschichtige MoTe₂ Der Transistor weist immer noch eine p-Leitfähigkeit auf. Darüber hinaus bleibt die p-Leitfähigkeit bei niedriger Temperatur, wie in Fig. 4a gezeigt. Diese temperaturabhängige elektrische Eigenschaft hilft uns, den Ladungstransportmechanismus weiter aufzuklären und die effektive Schottky-Barrierehöhe von p-Typ-MoTe₂ . zu extrahieren Transistor. Abbildung 4a zeigt die Übertragungseigenschaften bei einer Vorspannung von V _sd = 1 V, wenn die Temperatur von 20 bis 275 K variiert. Sowohl der Ein- als auch der Aus-Strom nehmen mit sinkender Temperatur ab und das Ein-Aus-Verhältnis steigt bei niedrigen Temperaturen, wie in Abb. 4b gezeigt. Arrhenius-Diagramm des Source-Drain-Stroms I _sd bei Back-Gate-Spannung V _sd = − 20 V und 20 V in Abb. 4c gibt die thermische Emission und den Tunnelbeitrag für den Ladungstransport an [46]. Wenn die Temperatur höher als 100 K ist, wird sowohl bei negativen als auch bei positiven Gate-Spannungen ein klarer Bereich der thermischen Emission beobachtet, und der Tunnelstrom dominiert, wenn die Temperatur unter 100 K liegt. Aus diesem Grund nehmen sowohl der Ein- als auch der Aus-Strom mit sinkender Temperatur ab . Basierend auf der Beobachtung des thermischen Emissionsstroms und der Beziehung von \({I}_{\mathrm{sd}}\sim{e}^{-{q\varPhi}_{SB}/kT\operatorname{}} \) , wobei k ist die Boltzmann-Konstante und T Temperatur ist, extrahieren wir die effektive Schottky-Barrierehöhe Φ _SB als Funktion der Gatespannung bei V _sd = 1 V, wie in Fig. 4d gezeigt. Die effektiven Schottky-Barrierehöhen Φ _SB sowohl im Ein- als auch im Aus-Zustand kleiner als 120 mV sind.

Temperaturabhängige elektrische Eigenschaften eines mehrschichtigen MoTe₂ . vom p-Typ Transistor. a Übertragungseigenschaften von MoTe₂ Transistor bei V _sd = 1 V als Funktion der Temperatur. b Ein-Strom-, Aus-Strom- und Ein-Aus-Stromverhältnis als Funktion der Temperatur. c Arrhenius-Diagramm des Source-Drain-Stroms als Funktion der Temperatur bei V _sd = 1 V und V _bg = − 20 V bzw. 20 V. d Karten der effektiven Schottky-Barrierehöhen Φ _SB als Funktion der Back-Gate-Spannung

Vakuum und niedrige Temperatur erschweren eine vollständige Desorption der Absorbate. Die Restabsorbate wirken noch und verändern den Leitwert des mehrschichtigen MoTe₂ Transistor. Um die Absorbate weiter auf MoTe₂ . zu desorbieren Transistors erhitzen wir das Gerät im Vakuum auf 350 K und führen in-situ-Messungen der elektrischen Eigenschaften durch. Abbildung 5a zeigt die Übertragungseigenschaften von MoTe₂ Transistors, wenn er von 250 auf 350 K erhitzt wird. Wie zu sehen ist, wird die Elektronenleitfähigkeit bei positiver Gatespannung erhöht, während die Lochleitfähigkeit bei negativer Gatespannung mit steigender Temperatur verringert wird. Bei Temperatur T = 250 K zeigt das Gerät eine typische p-Leitfähigkeit. Aber wenn die Temperatur auf T . ansteigt = 350 K wird das Bauteil in den n-Typ umgewandelt, der sich bei negativer Gatespannung im Aus-Zustand und bei positiver Gate-Spannung im Ein-Zustand befindet. Das Ein-Aus-Verhältnis, der unterschwellige Swing (SS) und die Feldeffektmobilität (μ) betragen 3,8 × 10 ² , 1,1 V/dec und 2 cm ² /V·s.

Die Übertragungseigenschaften von mehrschichtigem MoTe₂ Transistor als Funktion der Temperatur im Vakuum

Die n-Leitfähigkeit eines MoTe₂ Der Transistor ist im Vakuum stabil. Das Gerät wird in der Sondenstation in 2 × 10 ⁻⁵ . aufbewahrt mbar Vakuum bei RT für 12 h nach dem Erhitzen. Dann werden die Messungen der elektrischen Eigenschaften durchgeführt. Wie in Fig. 6a gezeigt, befinden sich die Übertragungseigenschaften bei negativer Gatespannung immer noch im ausgeschalteten Zustand und bei positiver Gatespannung im eingeschalteten Zustand, was typische n-Typ-Transistoreigenschaften demonstriert. Ähnliche Transformationen werden in den anderen beiden Beispielen realisiert, wie in Zusätzliche Datei 1 gezeigt:Abbildung S5 (a) und (b). Darüber hinaus glühen wir zwei Proben bei 523 K mit einer Hochtemperatur-Chemischen Gasphasenabscheidungsanlage für 2 h in Ar-Gas bei 3 mbar Vakuum. Beide wechseln vom p-Typ zum n-Typ, wie in Zusätzliche Datei 1 gezeigt:Abbildung S5 (c) und (d). Abbildung 6b zeigt die Ausgangseigenschaften eines n-Typ-MoTe₂ Transistor bei unterschiedlichen Back-Gate-Spannungen, was eindeutig nichtlinear ist, insbesondere bei niedriger Vorspannung V _sd , anders als in Fig. 3b, was die Existenz einer erhöhten effektiven Schottky-Barrierehöhe zwischen MoTe₂ . anzeigt und Au-Elektrode nach dem Erhitzen, um Absorbate zu entfernen. Abbildung 6c zeigt die temperaturabhängigen Übertragungseigenschaften von mehrschichtigem MoTe₂ . vom n-Typ Transistor. Wie zu sehen ist, nehmen sowohl der Ein- als auch der Aus-Strom ab, wenn die Temperatur von 275 auf 25 K sinkt, wie in Abb. 6c, d gezeigt. Arrhenius-Diagramm des Source-Drain-Stroms I _sd in Fig. 6e zeigt, dass die thermische Emission und der Tunnelstrom immer noch der Hauptladungstransportmechanismus in mehrschichtigem MoTe₂ . vom n-Typ sind Transistor. Die so erhaltene effektive Schottky-Barrierehöhe ist kleiner als 250 meV. Unter Berücksichtigung der Austrittsarbeit von Au (5,2 eV) und MoTe₂ (4,1 eV) beträgt die effektive Schottky-Barrierehöhe für Elektron im Idealfall sogar 1,1 eV. Der Unterschied kann vom Fermi-Niveau-Pinning-Effekt in 2D-Materialien herrühren [47].

N-Typ mehrschichtiges MoTe₂ Transistoreigenschaften im Vakuum. a RT-Übertragungseigenschaften von MoTe₂ Transistor bei V _sd = 1 V. b RT-Ausgangscharakteristik von MoTe₂ Transistor bei unterschiedlicher Back-Gate-Spannung. c Übertragungseigenschaften von MoTe₂ Transistor als Funktion der Temperatur. d Ein-, Aus- und Ein-Aus-Stromverhältnis von MoTe₂ Transistor als Funktion der Temperatur. e Arrhenius-Plot des Ich _sd bei V _sd = 1 V und V _bg = − 20 V bzw. 20 V. f Karten der effektiven Schottky-Barrierehöhen Φ _SB als Funktion von V _bg

Wir finden auch, dass das mehrschichtige n-Typ MoTe₂ Der Transistor kehrt zum p-Typ zurück, wenn er Luft ausgesetzt wird (siehe zusätzliche Datei 1:Abbildung S6). Basierend auf den obigen Experimentdaten folgern wir, dass die n-Leitfähigkeit eine intrinsische Eigenschaft für mehrschichtiges MoTe₂ . ist Transistor. Die Leitfähigkeit vom N-Typ kann auf eine Te-Leerstelle in MoTe₂ . zurückgeführt werden Kanal. Dies wird durch eine DFT-Berechnung bestätigt, wie in Abbildung 7 gezeigt. Abbildung 7a zeigt die Darstellung des Diagramms der Te-Leerstelle in Monolayer (ML) MoTe₂ , und Abb. 7b zeigt die entsprechende Zustandsdichte (DOS). Verglichen mit der DOS von MoTe₂ bei perfekter Kristallstruktur induziert die Te-Leerstelle einen Defektzustand nahe der Leitungsbandkante. Daher MoTe₂ Transistor mit Te-Leerstelle zeigt n-Leitfähigkeit.

Die Stelle in MoTe₂ . a 4 × 4 ML MoTe₂ Superzellen in einer idealen Phase und mit einer Te-Leerstelle. Das Stellenangebot ist gelb markiert. b Partielle Zustandsdichte (PDOS) des Mo-Standorts neben der Te-Leerstelle und der nächsten Te-Site einer Te-Leerstelle in ML MoTe₂ (roter Vollton), im Vergleich zum PDOS in einer idealen ML (schwarz gestrichelt)

Wenn das Gerät Luft ausgesetzt ist, werden Sauerstoff und Wasser in der Luft vom Gerät absorbiert. Es wurde nachgewiesen, dass die Absorbate von Sauerstoff und Wasser eine p-Dotierung in organischen Transistoren und Transistoren aus graphenbezogenen Schichtmaterialien induzieren können [44, 48, 49]. Es funktioniert durch das Sauerstoff/Wasser-Redoxpaar, bei dem der gelöste Sauerstoff im Wasser die Voraussetzung für die Redoxreaktion schafft. Dieser Prozess induziert einen Ladungstransfer zwischen dem Sauerstoff/Wasser-Redoxpaar und MoTe₂ . Die Richtung der Ladungsübertragung hängt von der Differenz der Austrittsarbeit (oder des chemischen Potentials) ab. Die Austrittsarbeit von MoTe₂ 4,1 eV beträgt, während die des Sauerstoff/Wasser-Redoxpaars größer als 4,83 eV ist [48]. Abbildung 8 zeigt das Energiediagramm des Wasser/Sauerstoff-Redoxpaars und MoTe₂ . Aufgrund des Energieniveauunterschieds werden die Elektronen von MoTe₂ . injiziert zum Sauerstoff/Wasser-Redoxpaar, was zu einer Lochdotierung von MoTe₂ . führt in der Luft.

Energiediagramm des Wasser/Sauerstoff-Redoxpaares (links) und MoTe₂ (Rechts); der rote Pfeil zeigt die Richtung des Elektronentransfers an

Verwendung des p-Typ- und n-Typ-MoTe₂ Transistoren untersuchen wir den Aufbau eines komplementären Inverters, wie in Fig. 9a dargestellt. Eine Versorgungsspannung von V _DD wird an die Source (oder Drain) von p-Typ-Transistoren angelegt, während die Source (oder Drain) des n-Typ-Transistors geerdet ist. Der Wechselrichter wird in 8 × 10 ⁻⁵ . gemessen mbar-Vakuum in der Sondenstation. Abbildung 9b, c zeigen die Übertragungseigenschaften von p-Typ- bzw. n-Typ-Transistoren vom Inverter. Abbildung 9d zeigt die Kurven der Spannungsübertragungscharakteristik (VTC) des Wechselrichters bei V _DD variiert im Bereich von 1 bis 5 V. Die Übergangsspannung liegt sehr nahe bei V _DD /2, was auf die Symmetrie zwischen n- und p-Typ MoTe₂ . zurückzuführen ist Transistoren. Abbildung 9e zeigt die VTC-Kurven (schwarze Linien) und ihre Spiegel (rote Linien) bei V _DD = 5 V. Der schattierte „Auge“-Bereich stellt den Rauschabstand des Wechselrichters dar. Wie zu sehen ist, ist der Rauschabstand bei niedrigem Pegel (NM_L ) und Rauschabstand bei hohem Pegel (NM_H .) ) sind 1,54 V bzw. 1,77 V bei V _DD = 5 V. Abbildung 9f zeigt V _IN -abhängige Spannungsverstärkungen des Wechselrichters bei V _DD = 2 V, 3 V, 4 V und 5 V, die mit V zunimmt _DD und erreicht 9 bei V _DD = 5 V.

Komplementäre Wechselrichtereigenschaften basierend auf mehrschichtigem MoTe₂ . vom p-Typ und n-Typ Transistor in 8 × 10 ⁻⁵ mbar Vakuum. a Wechselrichterdiagramm bestehend aus p-Typ und n-Typ MoTe₂ Transistoren. Übertragungseigenschaften des p-Typs (b ) und n-Typ (c ) MoTe₂ Transistor vom Wechselrichter. d VTC-Kurven des Wechselrichters für V _DD Werte von 1 bis 5 V. e VTC-Kurven (schwarze Linien) und ihre Spiegel (rote Linien) bei V _DD = 5 V. f V _IN -abhängige Spannungsverstärkungen des Wechselrichters bei V _DD = 2 V, 3 V, 4 V und 5 V

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir ein mehrschichtiges MoTe₂ . vom p-Typ hergestellt Transistor durch Übertragung von MoTe₂ auf hergestellte Source-Drain-Elektrode in Luft. Vakuum- und temperaturabhängige In-situ-Ladungstransportmessungen zeigen, dass die übliche p-Leitfähigkeit von mehrschichtigem MoTe₂ Transistor ist nicht seine intrinsischen Eigenschaften, die durch Sauerstoff/Wasser-Redoxpaar-Dotierung in Luft verursacht werden. Wenn das MoTe₂ Der Transistor wird im Vakuum erhitzt, um Absorbate zu entfernen, er weist eine n-Leitfähigkeit auf, die auf Tellur-Leerstellen in MoTe₂ . zurückgeführt wird und ist seine intrinsische Transporteigenschaft. Sowohl p-Typ- als auch n-Typ-MoTe₂ Transistoren zeigen eine geringere effektive Schottky-Barrierehöhe, was teilweise auf die Modifikation durch Absorbate zurückzuführen ist. Die abgesenkte effektive Schottky-Barriere ist vorteilhaft, um ein leistungsstarkes MoTe₂ . zu erreichen Transistor. Basierend auf diesen Erkenntnissen stellen wir einen komplementären Wechselrichter mit Verstärkungswerten von bis zu 9 her.

Methoden/Experimental

Um den Einfluss von Adsorbaten auf die Ladungstransporteigenschaften von mehrschichtigem MoTe₂ . zu untersuchen Transistor wählen wir Back-Gate-Mehrschicht-MoTe₂ Transistoren und das ganze MoTe₂ Die Probe wird der Umgebung ausgesetzt. Back-Gated mehrschichtiges MoTe₂ Transistoren werden wie folgt hergestellt. Zuerst werden Source-, Drain- und Gate-Elektroden auf 300-nm-SiO₂ . strukturiert /p ⁺ -Si-Substrat unter Verwendung von Standard-UV-Photolithographietechniken, gefolgt von selektivem Ätzen von 300-nm-SiO₂ unter der Gate-Elektrode und Elektronenstrahlverdampfung eines 5-nm/100-nm-Cr/Au-Films. Zweitens, mehrschichtiges MoTe₂ Proben werden auf anderen 300-nm-SiO₂ . hergestellt /p ⁺ -Si durch mechanisches Abblättern von millimetergroßem halbleitendem 2H-MoTe₂ Einkristalle, die durch chemischen Dampftransport unter Verwendung von TeCl₄ . gezüchtet werden als Transportmittel bei einem Temperaturgradienten von 750 bis 700°C für 3 Tage. Schließlich das vorbereitete mehrschichtige MoTe₂ Proben werden auf eine strukturierte Source-Drain-Elektrode mit Polyvinylalkohol (PVA) als Medium übertragen [50]. PVA ist in H₂ . gelöst O und gespült mit Isopropylalkohol (IPA). Das Glühen der Vorrichtung erfolgt in einer chemischen Gasphasenabscheidungsanlage mit Trockenpumpe. Mehrschichtiges MoTe₂ Proben werden durch ein optisches Mikroskop identifiziert und die entsprechende Dicke wird mit SPA-300HV Rasterkraftmikroskopie (AFM) charakterisiert. Raman-Signale werden von einem LabRAM HR-Raman-Spektrometer mit einer Laseranregung mit 514 nm Wellenlänge in der Rückstreukonfiguration unter Verwendung eines ×100-Objektivs gesammelt. Die vom Objektiv gemessene Laserleistung beträgt 2,2 mW. Die elektrische Charakterisierung erfolgt mit einer Kombination aus dem Agilent B1500A Halbleiteranalysator und der Lakeshore-Sondenstation.

Die DFT-Berechnungen werden mit dem Projector-Augmented Wave (PAW) Pseudopotential and Plane-Wave-Basissatz mit einer Grenzenergie von 400 eV durchgeführt, der im Vienna Ab-initio-Simulationspaket (VASP) implementiert ist [51]. Ein Vakuumraum über 15 Å wird gewählt, um die störende Wechselwirkung zwischen periodischen Bildern zu eliminieren. Genug k -Punktabtastungen von 12 × 12 × 1 und 24 × 24 × 1 werden für die Strukturrelaxation bzw. die elektronischen Berechnungen verwendet. Die generalisierte Gradientenapproximation (GGA) mit Perew-Burke-Ernzerhof (PBE)-Funktional wird übernommen [52].

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

2H-MoTe₂ :

Molybdänditellurid vom 2H-Typ

AFM:

Rasterkraftmikroskopie

DFT:

Dichtefunktionaltheorie

DOS:

Dichte der Zustände

FET:

Feldeffekttransistor

GGA:

Verallgemeinerte Gradienten-Approximation

IPA:

Isopropylalkohol

I sd:

Source-Drain-Strom

LED:

Leuchtdiode

NM_H :

Hoher Rauschabstand

NM_L :

Geringer Rauschabstand

PAW:

Beamerverstärkte Welle

PBE:

Perew-Burke-Ernzerhof

PVA:

Polyvinylalkohol

SD:

Source-Drain

SS:

Schwung unter der Schwelle

TMDs:

Übergangsmetalldichalkogenide

VASP:

Wien-Ab-initio-Simulationspaket

V _bg :

Back-Gate-Spannung

V sd:

Source-Drain-Spannung

VTC:

Spannungsübertragungseigenschaften

Φ _SB :

Höhe der Schottky-Barriere