SnSe₂-Feldeffekttransistor erreicht 10⁴ Ein/Aus-Verhältnis und polaritätsumschaltbare Photoleitfähigkeit

Zusammenfassung

Ein SnSe₂-Feldeffekttransistor (FET) wurde auf Basis eines exfoliierten wenigen-lagigen SnSe₂-Flakens hergestellt, und seine elektrischen und fotoelektrischen Eigenschaften wurden detailliert untersucht. Mit Hilfe eines Tropfens deionisierten (DI) Wassers kann der SnSe₂-FET ein Ein/Aus-Verhältnis von ~ 10⁴ innerhalb von 1 V Bias erreichen, was für SnSe₂ aufgrund seiner ultra-hohen Trägerdichte (10¹⁸/cm³) extrem schwierig war. Zudem werden Subschwellensteilheit und Mobilität auf ∼ 62 mV/Dekade und ~ 127 cm² V⁻¹ s⁻¹ bei 300 K verbessert, was auf die effiziente Abschirmung durch das flüssige Dielektrikum-Gate zurückzuführen ist. Interessanterweise zeigt der SnSe₂-FET eine Gatterspannungs-abhängige Photoleitfähigkeit, bei der ein Wettbewerb zwischen Trägerkonzentration und Mobilität unter Beleuchtung eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Polarität der Photoleitfähigkeit spielt.

Einführung

Aufgrund des Quantenkonfinement-Effekts verhalten sich zweidimensionale (2D) atomar geschichtete Materialien (ALMs) sehr unterschiedlich von ihren 3D-Bulk-Gegenstücken und zeigen einige einzigartige und faszinierende elektronische, optische, chemische, magnetische und thermische Eigenschaften. 2D ALMs bieten eine attraktive Plattform für fundamentale physikalische und chemische Forschung an der Grenze eines einzelnen Atoms oder weniger Lagen. Zudem könnten ALMs flexibel mit anderen Geräten integriert werden, was mehr Freiraum für die Entwicklung neuartiger Funktionen bietet, die mit bestehenden Materialien nicht erreichbar sind. Im vergangenen Jahrzehnt wurden 2D ALMs weitreichend untersucht und fanden potenzielle Anwendungen in Bereichen wie Sensoren, Energie und Umwelt.

Kürzlich hat Zinn-Diselenid (SnSe₂), als wichtiges Mitglied der IV-VI-Gruppe, viel Aufmerksamkeit erregt. SnSe₂ besitzt eine hexagonale CdI₂-Typ-Kristallstruktur, in der Sn-Atome von zwei Lagen hexagonal gepackter Se-Atome eingeschlossen sind mit der Raumgruppe p3̅m1. Im Gegensatz zu Übergangsmetall-Dichalkogeniden (TMDs) besitzt SnSe₂ eine schmalere Bandlücke mit indirekter Bandlücke über den gesamten Dickenbereich vom Bulk bis zum Monolayer, resultierend aus den äußeren p-Elektronen von Sn, die an der strukturellen Bindung beteiligt sind, im Gegensatz zu d-Elektronen von Mo oder W in MoS₂ oder WS₂. SnSe₂ wurde auf hervorragende Eigenschaften in Thermoelektrika, Phasenwechsel-Speicher, Lithium-Ionen-Batterien und verschiedenen elektronischen Logikgeräten untersucht. Besonders hat SnSe₂ eine höhere Elektronenaffinität (5,2 eV) und daher eine besondere Anwendung in der Herstellung von Tunnel-Feldeffekttransistoren (FETs). Pan et al. untersuchten systematisch FETs basierend auf mechanisch exfoliierten SnS₂₋ₓSeₓ-Kristallen mit variierendem Selengehalt. Sie fanden, dass der Drain-Source-Strom (I_d) nicht vollständig ausgeschaltet werden kann, wenn der Se-Gehalt x = 1,2 oder höher erreicht. Später fertigten Su et al. einen SnSe₂-MOSFET mit hohem Treibstrom (160 µA/µm) bei 300 K mit demselben Ergebnis keines „AUS“-Zustands. Der Hauptgrund für die Schwierigkeit, einen „AUS“-Zustand bei SnSe₂-FET-Geräten zu erhalten, ist die ultrahohe Elektronendichte (10¹⁸ cm⁻³ in bulk SnSe₂, verglichen mit 10¹⁶ cm⁻³ in MoS₂). Daher ist die effektive Modulation des Trägertransports in SnSe₂-FETs eine herausfordernde Aufgabe. Bao et al. schalteten I_d erfolgreich aus und erhielten ein Ein/Aus-Verhältnis von 10⁴ bei Raumtemperatur bei Verwendung von HfO₂ als Rückengate kombiniert mit einer oberen Kappe aus Polymerelektrolyt. Allerdings kann die Leistung von SnSe₂ mehrere Sweep-Zyklen nicht überleben aufgrund irreversibler struktureller Übergänge durch Li⁺-Interkalation in die Zwischenschicht von SnSe₂. Guo et al. erreichten ein höheres Strom-Ein/Aus-Verhältnis von 10⁵ mit einer Schwellenspannung von -100 V durch Verdünnen des SnSe₂-Flakens auf 6,6 nm. Allerdings beträgt die Arbeitstemperatur nur 78 K, was für praktische Anwendungen nicht praktikabel ist. Ein alternativer Weg zur Verbesserung der Trägertransportmodulation in FETs ist die Abscheidung einer High-k-Dielektrikumschicht als Top-Gate, wie HfO₂ und Al₂O₃. Allerdings wird die hohe Abscheidetemperatur die Eigenschaften der SnSe₂-Schicht verändern und die Geräteleistung weiter verschlechtern. Die Verwendung eines festen Polymerelektrolyt-Gates zur Modulation der Trägerdichte ist eine attraktive Methode aufgrund der hocheffizienten Kontrolle der elektrischen Doppelschicht (EDL), die an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Halbleiter entsteht. Aber der träge ionische Migrationsprozess erfordert niedrige Bias-Sweep-Raten. So ist eine einfache, effiziente und praktische Methode zur Modulation der Träger von SnSe₂ hoch gefragt.

In dieser Arbeit verwendeten wir nur einen Tropfen deionisierten (DI) Wassers als Lösungs-Top-Gate und schalteten den Kanalstrom bei 300 K erfolgreich aus. Zudem konnte das Ein/Aus-Verhältnis ~ 4 Größenordnungen erreichen, gesteuert durch eine kleine Gate-Spannung von weniger als 1 V. Noch bemerkenswerter zeigt das SnSe₂-Gerät eine interessante bias-abhängige negative und positive Photoleitfähigkeit, deren möglicher Wirkmechanismus analysiert wurde.

Experimente

Der SnSe₂-Flake wurde aus hochwertigen Bulk-Kristallen durch mechanische Exfoliation gewonnen. Anschließend wurde er auf einen Si-Wafer mit 100 nm SiO₂ übertragen. Die detaillierte Exfoliations- und Transfermethode ist in Huangs Arbeit beschrieben. Nach dem Transfer wurde Optikmikroskopie verwendet, um ausgewählte Flakes zu identifizieren, und die genaue Dicke wurde durch Atomkraftmikroskopie gemessen. Die SnSe₂-FETs wurden durch Standard-Photolithografie hergestellt. Ti/Au (5/50 nm) Kontakte wurden durch thermische Verdampfung abgeschieden, gefolgt von in-situ-Glühen bei 200 °C im Hochvakuum (10⁻⁵ Pa) zur Verbesserung des metallischen Kontakts. Für DI-Wasser-Top-Gate-FETs wurde eine zusätzliche Polymerschicht (Polymethylmethacrylat (PMMA) Typ 950 A5) auf den Geräten abgeschieden (Spin-Coating bei 3000 rpm, Dicke ~400 nm), bei 180 °C für 2 min gebacken und durch UV-Photolithografie strukturiert, um Fenster für den Kontakt zwischen dem Wassertropfen und dem Gerätekanal zu öffnen.

Elektrische Charakterisierung wurde mit einem Keithley Sourcemeter 2634B an einer Vier-Punkt-Station (Signatone) durchgeführt. Eine Laserdiode mit 532 nm Wellenlänge diente als Lichtquelle mit einer Leistungsdichte von 1 mW/mm² zur Untersuchung der fotoelektrischen Leistung des SnSe₂-FET. Die Zeitantwort wurde mit einem Oszilloskop MDO3000 aufgezeichnet.

Optische Bilder wurden mit einem optischen Mikroskop (XTZ-2030JX mit CCD-Kamera) aufgenommen. Ramanspektroskopie wurde im Renishaw inVia Raman-Mikroskop bei Raumtemperatur mit 532-nm-Laseranregung durchgeführt. AFM-Charakterisierung erfolgte mit einem Bruker Multimode 8 Mikroskop.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1a zeigt ein schematisches Diagramm des SnSe₂-FET-Geräts. Die Kontakte sind durch eine PMMA-Schicht (Typ 950 A5) bedeckt, um sie elektrisch vom Top-Gate zu isolieren, das aus einem Tropfen DI-Wasser besteht, der von einer Pipette getropft wird. Das Gerät kann durch eine Top-Gate-Spannung (V_tg) gesteuert werden, die an eine Elektrode in Kontakt mit dem DI-Wassertropfen angelegt wird, oder durch eine Rückengate-Spannung (V_bg), die über den SiO₂-Träger angelegt wird. Das optische Bild von SnSe₂-Flakes mit strukturierten Elektroden ist in Abb. 1b gezeigt. Der Source-Drain-Abstand beträgt etwa 2 µm. Ramanspektroskopie wurde verwendet, um das SnSe₂-Material zu charakterisieren, wie in Abb. 1c gezeigt. Die Fingerabdruck-Peaks bei 187 cm⁻¹ und 112 cm⁻¹ entsprechen dem Out-of-Plane A₁g-Modus und dem In-Plane E_g-Modus, was gut mit anderen Berichten übereinstimmt. Allerdings ist es schwierig, die Dicke für SnSe₂ aus der Position des Raman-Peaks zu bestimmen. Im Gegensatz zu MoS₂ ist die dickenabhängige Charakteristik der Raman-Peak-Position nicht klar. Daher verwendeten wir Atomkraftmikroskopie (AFM), um die Flake-Dicke direkt zu messen. Wie in Abb. 1d gezeigt, beträgt die Dicke des SnSe₂-Flakens etwa 34 nm.

Die Ausgangskurve des FET-Geräts unter verschiedenen Rückengate-Spannungen, gemessen im Dunkeln, ist in Abb. 2a gezeigt. Die lineare und symmetrische Beziehung von I_d-V_ds demonstriert einen ohmschen Kontakt zwischen den Ti/Au-Elektroden und dem SnSe₂-Kanal. Aus Abb. 2a fanden wir, dass der Modulationseffekt der Leitfähigkeit von SnSe₂ durch die Rückengate-Spannung sehr gering ist. Das Verhältnis von I_d zwischen Gate-Spannung 30 und -30 V beträgt nur 1,15 bei V_ds von 50 mV. Der Strom I_d bei der Rückengate-Spannung von -30 V ist so groß wie ~ 1,47 µA bei V_ds von 5 mV, was nicht durch die Rückengate-Spannung ausgeschaltet werden konnte. Selbst die Erhöhung der Gate-Spannung auf 100 V brachte den Kanal nicht in seinen Aus-Zustand als Folge der Abschirmung des Gate-Potentials durch die ultrahohe Trägerdichte im SnSe₂, was in früheren Arbeiten von Pan und Su berichtet wurde. Nach der Halbleitertheorie können wir eine grobe Abschätzung der Auszehrungsbreite W einer Metall-Isolator-Halbleiter (MIS) Struktur vornehmen, die durch W = √(2ε_r ε_0 φ_s / e N_D) bestimmt wird, wo φ_s der Oberflächenpotenzial, N_D die Donatorverunreinigungskonzentration und ε_0 und ε_r Vakuum- und relative Permittivität sind. Setzt man φ_s, ε_r, N_D von 1 V, 9,97 und 1 × 10¹⁸/cm³ in die Gleichung als konservative Berechnung ein, beträgt die Auszehrungsbreite W etwa 22 nm, was viel kleiner ist als die Dicke unseres SnSe₂-Flakens (34 nm). So ist es leicht zu verstehen, dass keine Auszehrung der Elektronen durch die Rückengate-Modulation erfolgt.

Im starken Kontrast zeigt die I_d-V_ds-Kurve bei Verwendung von DI-Wasser als Top-Gate eine effiziente Modulation sogar mit einem kleinen Gate-Bias, wie in Abb. 2b gezeigt. Das Stromverhältnis zwischen Gate-Spannungen von 0,4 V und -0,8 V beträgt mehr als 10³, was aus Abb. 2c in halblogarithmischer Skala deutlicher wird. Die Transferkurven des SnSe₂-FET mit Top-Gate sind in Abb. 2d gezeigt, was ein typisches n-Typ-Leitverhalten zeigt. Die Spannungsscans erfolgen von negativer zu positiver Richtung mit einer Scanrate von 10 mV/s. Die elektrische Doppelschicht (EDL) in ionischen Flüssigkeiten oder festen Elektrolyten besitzt eine hohe Kapazität und kann verwendet werden, um eine sehr effiziente Ladungskopplung in 2D und geschichteten Materialien zu erreichen. Allerdings erfordern langsame Ladungstransferprozesse aufgrund der großen Ionen in Größe und Masse niedrige Bias-Scanraten, um das Gleichgewicht an der Gate-Kanal-Grenzfläche aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz dazu haben sowohl H⁺- als auch OH⁻-Ionen bei Verwendung von DI-Wasser als Dielektrikumschicht eine kleinere Größe und Masse und Wasser hat eine niedrige Viskosität. Daher unterstützt DI-Wasser-Gating über die Doppelschicht an der Wasser-Halbleiter-Grenzfläche viel höhere Spannungssweep-Raten und reagiert schneller als ionische Flüssigkeiten-Gating oder festes Elektrolyt-Gating. Das Inset ist ein linear skalierter Plot der I_d-V_tg Charakteristik. Bemerkenswert verbessert DI-Wasser als Top-Gate die Transkonduktanzcharakteristiken des SnSe₂-FET erheblich. Wenn V_tg von -0,8 auf 0,4 V variiert, ändert sich I_d von 9,5 × 10⁻¹¹ auf 7,6 × 10⁻⁷ A mit einem Ein/Aus-Stromverhältnis von ∼ 10⁴. Die aus der Transfercharakteristik berechnete Subschwellensteilheit beträgt ∼ 62 mV/Dekade. Diese Werte sind gut genug für den praktischen, niedrigspannungsbetrieb von geschichteten Metallchalkogenid-FET-Geräten. Die Mobilität µ kann mit folgender Gleichung berechnet werden: µ = (dI_d/dV_g) · (L / W C_H2O V_sd), wo L und W die Kanallänge und -breite (L = 2 µm, W = 5 µm) sind, und C_H2O die DI-Wasser-Gate-Kapazität pro Flächeneinheit ist. Hier wurde die Kapazität von C_H2O auf 348 nF/cm² gemessen, wofür die detaillierte Berechnung im ergänzenden Material (Zusatzdatei 1: Abbildung S1a und b) beigefügt ist. Die erhaltene Elektronenmobilität beträgt 127 cm²/Vs, was im Vergleich zu anderen wenigen-lagigen 2D-Materialien recht gut ist. Der wesentlich verbesserte Modulationseffekt, der durch Top-Gate mit DI-Wasser als Dielektrikumschicht realisiert wird, wurde bereits in Huangs Arbeit berichtet. Sie wandten DI-Wasser-Gate auf SnS₂, MoS₂ und BP-Flake an und erreichten hohes Ein/Aus-Verhältnis, ideale Subschwellensteilheit und exzellente Mobilität. Sie schrieben diese Verbesserungen der perfekten Abschirmung des Flakens vor Umgebungsadsorbaten und Passivierung der Grenzflächenzustände durch das High-k-Dielektrikum (ε_r(H₂O) = 80) zu. Der Passivierungs- und Abschirmungseffekt durch DI-Wasser ist ähnlich dem durch andere konventionelle High-k-Dielektrika wie HfO₂ oder Al₂O₃. Zusätzlich scheint die effektive Kopplung zwischen DI-Wasser und SnSe₂ über die Flankenränder eine wichtige Rolle bei der Erreichung eines hohen Ein/Aus-Verhältnisses sogar für einen dicken Flake zu spielen. Im Vergleich zum SiO₂-Rückengating kann DI-Wasser-Gating die elektrische Feldentfernung effektiv reduzieren (von einigen 100 nm auf weniger als 1 nm), sodass die Schwellengate-Spannung auch von mehreren zehn Volt auf weniger als 1 V abnimmt. Aus dem Inset-Bild von Abb. 2d ist der kleine Stromsprung bei etwa V_tg = 0,4 V möglicherweise durch die Elektrolyse von DI-Wasser aufgrund seines schmalen elektrochemischen Fensters verursacht, was in Huangs Arbeit berichtet wurde.

Die zeitabhängige fotoelektrische Antwort des SnSe₂-FET, gesteuert durch Rückengate oder Top-Gating, ist in Abb. 3 gezeigt. Interessanterweise zeigt der SnSe₂-FET einen positiven Photostrom bei negativer Gating und einen negativen Photostrom bei positiver Gating, unabhängig davon, ob das Gating vom Rückengate über SiO₂ oder vom Top-Gate durch DI-Wasser erfolgt. Aus Abb. 3a sehen wir, dass die Größe des Photostroms mit zunehmender negativer Rückengate-Spannung zunimmt. Wenn die Rückengate-Spannung -80 V beträgt, beträgt die relative Photoleitfähigkeit (definiert als Δσ/σ₀, wobei σ₀ die Dunkelleitfähigkeit und Δσ der Unterschied zwischen σ und σ₀ ist) 5 %. Bei Verwendung von DI-Wasser als Top-Gate erhalten wir ein ähnliches Gesetz wie in Abb. 3b gezeigt. Mit der Top-Gate-Spannung auf -0,4 V eingestellt, konnte die relative Photoleitfähigkeit 6 % erreichen. Allerdings ist leicht zu sehen, dass die Antwortzeit zwischen den beiden Gating-Arten काफी unterschiedlich ist. Für Rückengating mit SiO₂ als Dielektrikum beträgt die Antwortzeit für die steigende Flanke etwa 30 s. Während für Top-Gating mit DI-Wasser als Dielektrikum die Antwortzeit nur 1,7 s beträgt. Hier ist die 10-90 % Anstiegszeit (oder 10-90 % Abfallzeit) als Antwortzeit definiert. Die viel schnellere Antwortgeschwindigkeit mit DI-Wasser-Gating sollte mit der höheren Trägerbeweglichkeit (127 cm²/Vs) aufgrund der effektiven Abschirmung von Verunreinigungs- oder Adsorbatstreuung zusammenhängen. Interessanterweise zeigt der SnSe₂-Film bei positiver Gate-Spannung eine negative Photoleitfähigkeit (NPC) wie in Abb. 3c und d gezeigt. Es sollte betont werden, dass die gate-abhängige bipolare Photoleitfähigkeit nicht durch Leckstrom zwischen Gate und Source induziert wird. Wir maßen den Leckstrom I_g beim Anlegen eines positiven oder negativen Gate-Bias, wie in Zusatzdatei 1: Abbildung S2 gezeigt. Das Vorzeichen von I_g folgt der Richtung von V_gs und ist genau entgegengesetzt zum Vorzeichen des Drain-Source-Photostroms (I_d). Zudem ist die Größe von I_g viel kleiner als I_d, sodass ihr Einfluss vernachlässigbar ist. In der NPC des SnSe₂-FET mit H₂O als Dielektrikum gibt es zwei Merkmale, die sich von der positiven Photoleitfähigkeit (PPC) unterscheiden. Eines ist der Absolutwert der relativen Photoleitfähigkeit bei positivem V_tg (~ 20 %) ist erheblich größer als bei negativem V_tg (6 %). Das andere ist, dass der SnSe₂-FET eine viel längere Antwortzeit (~ 30 s) bei positivem V_tg zeigt als bei negativem V_tg (1,7 s).

Das Negative-Photoleitfähigkeit (NPC)-Phänomen wurde in mehreren Halbleiter-Nanostrukturen berichtet, wie Kohlenstoffnanoröhren, InAs-Nanodrähten und ZnSe-Nanodrähten. Sauerstoff-Molekül-Adsorption und Photo-Desorption werden üblicherweise als verantwortlich für den NPC-Effekt vorgeschlagen. Eine solche Erklärung gilt jedoch nicht für unser SnSe₂-System, da Sauerstoff-Desorption nur zu höherer Elektronenkonzentration und Leitfähigkeit führen würde. Um den NPC-Effekt und das Zusammenwirken von NPC und PPC in SnSe₂ zu verstehen, maßen wir die I_d-V_tg-Kurven des SnSe₂-FET unter Beleuchtung, wie in Abb. 4 gezeigt. Zum klaren Vergleich wurden die Transferkurven im Dunkeln hinzugefügt. Wir sehen, dass das Gerät eine bipolare Photoleitfähigkeit zeigt, die durch Gate-Spannung umgeschaltet werden kann. Die unter Beleuchtung und im Dunkeln gemessenen Transferkurven schneiden sich fast bei einer Gate-Spannung von 0 V. Daher zeigt das Gerät eine positive Photoleitfähigkeit bei negativer Gate-Bias und eine negative Photoleitfähigkeit bei positiver Gate-Bias, was mit den in Abb. 3 gezeigten Ergebnissen übereinstimmt. Wie bekannt, wird die Leitfähigkeit σ als σ = n e µ bestimmt, wobei n, e und µ Trägerkonzentration, Elementarladung und Mobilität sind. Also wird die Leitfähigkeit durch das Produkt von Trägerkonzentration und Mobilität bestimmt. In der Transferkurve unter Licht impliziert die Änderung der Transkonduktanz g_m über die Nulllagsspannung eine Änderung der Mobilität. Aus den Transferkurven können die Mobilität unter Beleuchtung und im Dunkeln berechnet werden, wie in Tabellen 1 und 2 gezeigt. Die Mobilität von SnSe₂ im Dunkeln beträgt etwa 70 cm²/Vs, während die Mobilität unter Beleuchtung zwei Werte hat: etwa 60 cm²/Vs bei negativer Gate-Bias und ~ 4 cm²/Vs bei positiver Gate-Bias. Bei negativem V_tg ist die Mobilität von Licht- und Dunkelzustand fast gleich, während die Trägerkonzentration unter Lichtexzitation größer ist als die des Dunkelzustands. So zeigt das Gerät eine positive Photoleitfähigkeit. Bei positivem V_tg ist die Mobilität mehr als eine Größenordnung kleiner als im Fall von negativem V_tg, und der Abfall der Mobilität übersteigt den Anstieg der Trägerkonzentration und dominiert die Photoleitfähigkeitsentwicklung. Daher tritt eine netto negative Photoleitfähigkeit anstelle der positiven Photoleitfähigkeit auf.

Pai-Chun Wei et al. fanden NPC-Effekt in einem schmalen Bandlücken- und degenerierten InN-Film und schrieben ihn der Mobilitätsdepression durch starke Streuung von geladenen Rekombinationszentren zu, was auf unser SnSe₂-System anwendbar sein könnte. Aber warum die Mobilität abnimmt, wenn der Gating-Bias von negativ auf positiv scannt, ist nicht klar. Wir glauben, dass dieses Phänomen von einigen In-Gap-Zuständen herrührt. In-Gap-Zustände können durch Punktdefekte wie Se-Vakanzen verursacht werden. Unter Beleuchtung werden die In-Gap-Zustände unterhalb von E_f einige photogenerierte Löcher einfangen und zu positiv geladenen Streuzentren. Mit V_tg, das von negativ auf positiv scant, werden mehr In-Gap-Zustände, die unter E_f fallen, zu geladenen Streuzentren, was zu einem Mobilitätsabfall führt. Weitere Arbeit ist nötig, um den NPC-Mechanismus vollständig zu verstehen.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde ein SnSe₂-Feldeffekttransistor (FET) basierend auf einem aus Einkristall exfoliierten SnSe₂-Flake hergestellt. Mit einem Tropfen Wasser als topes Dielektrikum-Gate schalteten wir das Gerät erfolgreich mit einem hohen Stromunterdrückungsverhältnis von ~ 10⁴ aus. Im Vergleich zum SiO₂-Dielektrikum-Gate kann DI-Wasser das Transportverhalten des SnSe₂-FET eminenter verbessern mit einer idealen Subschwellensteilheit von ∼ 62 mV/Dekade und einer exzellenten Elektronenmobilität von ~ 127 cm² V⁻¹ s⁻¹ bei 300 K. Besonders zeigt der SnSe₂-FET bipolare Photoleitfähigkeit, wenn der Top-Gate-Bias von -0,4 auf +0,4 V scannt. Die Polarität kann durch das Vorzeichen der Gate-Spannung umgeschaltet werden. Bei negativer Gate-Bias wird die positive Photoleitfähigkeit durch den Anstieg der Trägerkonzentration dominiert. Während bei positiver Bias die negative Photoleitfähigkeit durch einen starken Mobilitätsabfall verursacht wird. Ein Wettbewerb zwischen Trägerkonzentration und Mobilität bestimmt die Entwicklung der Photoleitfähigkeit. Mit der in dieser Arbeit vorgestellten einfachen Lösungs-Gate-Methode demonstriert der SnSe₂-FET exzellente elektrische Eigenschaften und präsentiert gleichzeitig eine interessante polaritätsumschaltbare Photoleitfähigkeit, die einen neuen Modulationsweg für hochleistungsfähige optoelektronische Geräte eröffnen wird.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

AFM:

Atomkraftmikroskopie

ALMs:

Atomar geschichtete Materialien

DI:

Deionisiert

FETs:

Feldeffekttransistoren

MIS:

Metall-Isolator-Halbleiter

NPC:

Negative Photoleitfähigkeit

PMMA:

Polymethylmethacrylat

PPC:

Positive Photoleitfähigkeit

TMDs:

Übergangsmetall-Dichalkogenide