Текущее исправление в структуре:контакты ReSe2 / Au на обеих сторонах ReSe2

Введение

Выпрямительные свойства контактов металл-полупроводник, когда ток изменяется в зависимости от направления приложенного напряжения, широко используются в диоде с барьером Шоттки, полевом транзисторе (FET) и полевом транзисторе металл-оксид-полупроводник. Шоттки объяснил такое поведение слоями обеднения на полупроводниковой стороне таких интерфейсов [1]. Различия в работе выхода электронов между металлом и полупроводником приводят к выпрямляющему поведению, называемому эффектом Шоттки [2]. Контакт между металлом и двумерными (2D) полупроводниковыми материалами является контактом Шоттки, когда металл имеет более высокую работу выхода электронов, чем 2D полупроводниковые материалы n-типа, или более низкую работу выхода электронов, чем 2D полупроводники p-типа. Эффект Шоттки металлических / 2D-материалов находит широкое применение в микрофотодетекторах, полевых микроконтроллерах, газовых сенсорах и фототранзисторах [3]. Среди 2D-материалов дихалькогениды переходных металлов (TMD) привлекли большое внимание, потому что они имеют значительную ширину запрещенной зоны [3] и переход запрещенной зоны от непрямого к прямому при уменьшении толщины до монослоя [4]. Ширина запрещенной зоны гарантирует, что TMD могут использоваться во многих приложениях, например, в полевых транзисторах и солнечных элементах [3]. TMD могут также использоваться в термоэлектрическом поле [5], что привлекло широкое внимание [6,7,8,9]. Было проведено множество экспериментов для изучения свойств и приложений TMD, таких как MoS ₂ , MoSe ₂ , WSe ₂ , и WS ₂ . Лопес-Санчес и др. [10] создали сверхчувствительные однослойные фототранзисторы с MoS ₂ . . Бритнелл и др. [11] составил WS ₂ / Гетероструктура графена и продемонстрировала ее применение в фотоэлектрических устройствах. WSe ₂ , как амбиполярный полупроводник, контролировался с помощью двойных электростатических затворов для изготовления светодиода [12, 13]. Среди TMD ReSe ₂ отличается от TMD других групповых VI, потому что ReSe ₂ принадлежит к TMD группы VII с дополнительным электроном в d орбитали, что приводит к сильной анизотропии в плоскости [14]. В нескольких исследованиях изучались электрические свойства ReSe ₂ благодаря особой ленточной структуре. Текущее исправление исследуется с помощью ReSe ₂ / WS ₂ p-n гетеропереход [15] и ReSe ₂ / MoS ₂ p-n-гетеропереход [16]. Полевой транзистор предназначен для исследования электрических свойств контактов металл / полупроводник, таких как ReSe ₂ / metal или ReS ₂ / металл [17,18,19].

В этом письме ReSe ₂ чешуйка подвешена через сток из золота и электрод из наноленты из золота. Изначально прибор был разработан для измерения теплопроводности и электропроводности ReSe ₂ хлопья. Измерения проводились при 340 К, 310 К, 280 К и 273 К.

Методы

Сначала была изготовлена ​​Si-подложка с Au-электродами. Нелегированная подложка Si толщиной 400 мкм была окислена с образованием SiO ₂ толщиной 180 нм. слой после начальной очистки, и электронно-лучевой резист толщиной 320 нм был нанесен на SiO ₂ поверхность методом центрифугирования. Au наносили путем физического осаждения из паровой фазы, чтобы изготовить наноэлектроды Au и нанопленку Au в шаблоне, который был получен с помощью электронно-лучевой литографии. Помещая образец в проявитель фоторезиста, электронно-лучевой резист был протравлен, а Au-электрод и пленка остались. Наконец, SiO ₂ слой протравливается буферной плавиковой кислотой, а слой Si под нанопленкой Au протравливается CF ₄ плазма для создания суспендированной нанопленки, которая находится примерно на 6 мкм над подложкой Si.

ReSe ₂ хлопья были синтезированы методом химического пароперехода на медной подложке. Ответ ₂ чешуйки были перенесены на Au-электроды для изготовления Au-ReSe ₂ -Au контактирует с использованием метода переноса смачивания, в котором ReSe ₂ Нанолента с медной подложкой была покрыта полиметилметакрилатом (ПММА) и нанесена на раствор для травления для травления медной подложки. После отслаивания медной подложки ReSe ₂ с покрытием из PPMA Пластинка аккуратно перемещалась над подложкой Si с помощью наноэлектродов Au с помощью платформы для переноса с фиксированной точкой. Затем ПММА был разрезан лазером и покрыт ПММА ReSe ₂ хлопья приземлились и оказались подвешенными между нанопленкой Au и наноэлектродом Au. Наконец, ПММА удаляли, погружая образец в ванну с раствором гидроксида калия на 3 часа. Изображение изготовленного на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) электрода Au-ReSe ₂ нанолента чешуйчато-Au (Au-ReSe ₂ -Au) переходы в вертикальном виде к подложке показаны на рис. 1а. ReSe ₂ чешуйка контактировала с нанолентой Au в секции B и контактировала с Au электродом в секции C. На рисунке 1b показана принципиальная схема устройства.

а СЭМ-изображение устройства в вертикальном положении относительно подложки при положительном направлении тока и b принципиальная схема измерительного устройства

Направление вдоль A-B-C определяется как положительное или наоборот, и применяется постоянный ток. Напряжение, В , через Au-ReSe ₂ -Au-переходы измерялись высокоточным цифровым мультиметром (Keitheley 2002, 8,5 разряда), а ток I , была определена путем измерения напряжения на опорном резисторе последовательно. Я - V кривые ReSe ₂ / Au-переходы для прямого и обратного напряжения были измерены при разных температурах в системе измерения физических свойств (квантовый дизайн).

Результаты и обсуждение

На рисунке 2 показаны измеренные значения I - V кривые при 273 K, 280 K, 310 K и 340 K. Значительные асимметрии в I - V кривые наблюдаются при всех измеренных температурах, что указывает на необычное поведение при выпрямлении. Токи при 277 мВ и –277 мВ используются для расчета коэффициента выпрямления тока при каждой температуре, а коэффициент выпрямления составляет около 10. Ток увеличивается с температурой для данного напряжения.

Вольт-амперные характеристики переходов Au-ReSe2-Au при 273 K, 280 K, 310 K и 340 K

Чтобы изучить механизм, ответственный за необычное выпрямление, микроструктура ReSe ₂ хлопья обнаруживали с помощью атомно-силового микроскопа [(AFM), Cypher, Oxford Instruments] и рамановского спектрометра (Jovin Yvon T64000, длина волны возбуждения 532 нм). АСМ изображение ReSe ₂ чешуйка показана на рис. 3a – c, и определенная средняя толщина составляет 28 нм на основе профиля высоты поперечного сечения вдоль белой линии. Рамановский спектр, состоящий из 13 ожидаемых линий с высоким уровнем сигнала, показан на рис. 3d, что хорошо соответствует спектру, обнаруженному Wolverson et al. [4] и раскрытие триклинной кристаллической структуры настоящего ReSe ₂ хлопья.

а , b , и c АСМ-изображение и толщина ReSe2 и d Рамановский спектр и кристаллическая структура ReSe2

Рисунок 4 - это изображение ReSe ₂ , полученное с помощью SEM. отщепь под углом 45 °, показывающий, что ReSe ₂ чешуйка и нанопленка Au контактируют с подложкой Si. ReSe ₂ -Au-контакт показал омический контакт в предыдущем исследовании [20], который не отвечает за поведение выпрямления в этом эксперименте. Схема состоит из Au-ReSe ₂ -Au и Au-ReSe ₂ -Si-Au переходы. На рисунке 5 представлена ​​принципиальная схема. Контакт Si-Au был показан контактом Шоттки [21].

SEM изображение ReSe ₂ чешуйки и нанопленка Au под углом 45 °

Схема схемы

На рисунке 6 показаны данные энергодисперсионной спектроскопии (EDS). Суммарный спектр карты ReSe ₂ получается в разделах 1 и 2. Средняя химическая формула ReSe _1,67 который имеет более высокий коэффициент Re, чем ReSe ₂ и дает ReSe ₂ свойства чешуйчатого полупроводника p-типа. Следовательно, ReSe ₂ -Si-контакт представляет собой p-n-гетеропереход и проявляет свойства выпрямления. Асимметрия обоих контактов выпрямления приводит к поведению выпрямления.

Данные ЭЦП ReSe ₂ находится в правом верхнем углу изображения. Блоки 1 и 2 представляют собой два измеренных сечения

Ток можно определить по следующему уравнению как в контакте Шоттки, так и в p-n-гетеропереходе [22, 23]:

где I ₀ ток насыщения, q - электронный заряд, k постоянная Больцмана, V напряжение, приложенное к переходу, A площадь контакта, A ^* - эффективная постоянная Ричардсона, Ф _B - кажущаяся высота барьера, а T - температура измерения. Фактор идеальности, зависящий от температуры n представляет собой уровень, на котором контакт отличается от идеального контакта Шоттки.

Расчет, основанный на формуле. (1) сделано для изучения анализа поведения исправления. Токи ReSe ₂ -Si контакт, я ₁ , и контакт Si-Au, I ₂ , выражаются:

На рис. 7 видно, что численные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными. Числовые параметры приведены в таблице 1. Ток обратного насыщения ReSe ₂ -Si-контакт больше, чем Si-Au, потому что площадь контакта ReSe ₂ -Si контакт намного больше, как показано на рис. 4. Обратный ток насыщения обоих контактов увеличивается с температурой, указывая на то, что электропроводность обоих контактов проявляет поведение выпрямления, как показано в формуле. (2).

Сравнение I - V кривые экспериментальных результатов и расчетных

Фактор идеальности ReSe ₂ -Si-контакт больше контакта Si-Au из-за различных условий контакта и кристаллической структуры. На рисунке 4 показано, что поверхность подложки Si шероховатая из-за травящего раствора, что делает ReSe ₂ -Si контакт неоднородный. Неоднородный контакт приводит к большому фактору идеальности [24, 25]. Шероховатая поверхность также создает большое количество состояний захвата, что приводит к большому фактору идеальности [26]. Кроме того, разные типы контактов создают разные факторы идеальности. ReSe ₂ -Si-контакт - это p-n гетеропереход, а ReSe ₂ и Si имеют различную кристаллическую структуру, триклинную для ReSe ₂ и гранецентрированный кубик для Si. Несовпадение решеток всегда приводит к краевой дислокации [27] и создает высокую плотность ловушечных состояний [26], в результате чего ReSe ₂ -Si контакты отклоняются от идеального контакта и имеют большой коэффициент идеальности [27]. Si-Au представляет собой металлический полупроводниковый контакт, и кристаллическая структура Si мало влияет на фактор идеальности. Факторы идеальности обоих контактов мало меняются с температурой. Это можно объяснить формулой. (5) по данным Khurelbaatar et al. [28],

Уравнение (5) показывает, что коэффициент идеальности обратно пропорционален температуре. Фактор идеальности существенно уменьшается с повышением температуры только при низкой температуре и медленно изменяется, когда температура превышает 300 К [28, 29]. Однако, как показано в Таблице 1, обратный ток насыщения значительно увеличивается с температурой, которая отличается от фактора идеальности. Это можно объяснить формулой. (2). Согласно формуле. (2), обратный ток насыщения увеличивается с температурой, потому что T ² и exp (- q Φ _B / кТ ) увеличиваются с увеличением температуры. Из-за экспоненциальной зависимости между exp (- q Φ _B / кТ ) и - qΦ _B / kT, ехр (- q Φ _B / кТ ) значительно увеличивается с повышением температуры. На основании исследования Zhu et al [30], q Φ _B контакта Au / Si в эксперименте при 273 К и 295 К составляют 0,77 эВ и 0,79 эВ соответственно. Результаты расчетов показывают, что ток обратного насыщения при 295 К в шесть раз больше, чем ток обратного насыщения при 273 К, что объясняет, почему ток обратного насыщения значительно увеличивается с температурой.

Выводы

В заключение, поведение выпрямления наблюдается в контактах, где ReSe ₂ чешуйки, подвешенные на Au-подложке и Au-нанопленке при разной температуре. SEM-изображение приостановленного ReSe ₂ на снимке под углом 45 ° видно, что ReSe ₂ чешуйка и нанопленка Au находятся в контакте с подложкой Si, и карта EDS проиллюстрировала состав элементов, ReSe _1,67 . Контакт между ReSe ₂ чешуйка и подложка Si ответственны за поведение выпрямления. ReSe ₂ -Si и Si-Au контакты являются контактами выпрямления, образующими другую цепь, и асимметрия обоих контактов приводит к кажущемуся поведению выпрямления. Результаты расчетов, основанные на уравнении токов Шоттки, учитывали контакт Si-Au Шоттки и ReSe ₂ -Si p-n гетеропереход хорошо согласуется с результатами экспериментов.

Сокращения

2D:

Двумерный

AFM:

Атомно-силовой микроскоп

EDS:

Энергодисперсионная спектроскопия

FET:

Полевой транзистор

PMMA:

Полиметилметакрилат

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

TMD:

Дихалькогениды переходных металлов