Свойства переноса носителя асимметричного газового датчика MoS2 при барьерной модуляции на основе переноса заряда

Фон

В последние годы, после открытия графена, двумерные (2D) наноматериалы, которые имеют вертикально уложенные слои, соединенные силами Ван-дер-Ваальса (vdW), привлекли огромное внимание из-за их уникальных свойств [1,2,3,4 , 5]. Графен, представляющий собой слоистую гексагональную структуру углерода, с его уникальными свойствами, такими как высокая подвижность носителей [6, 7], механическая прочность [8] и гибкость [9, 10], открыл новые возможности для устройств наноэлектроники. В последнее время дихалькогениды переходных металлов (TMD), такие как MoS ₂ и WSe ₂ , также были изучены из-за их большей ширины запрещенной зоны по сравнению с графеном [11,12,13,14,15]. Однослойный MoS _2, толщиной 6,5 Å является наиболее широко известным 2D-слоистым ДПМ. Обладает высокой подвижностью до ~ 200 см ² . V ^-1 s ⁻¹ [16] и коэффициенты включения / выключения более ~ 10 ⁸ [17]. Кроме того, MoS ₂ представляет собой полупроводник с непрямой запрещенной зоной 1,2 эВ [18] в объеме и прямой запрещенной зоной 1,8 эВ [19] в одном слое, в отличие от графена с нулевой запрещенной зоной. Такая нулевая запрещенная зона графена ограничивает его применение в наноэлектронных устройствах.

Для разработки MoS ₂ транзисторы с характеристиками, сравнимыми с характеристиками кремниевых устройств, многие ограничения, такие как качество состояния решетки, качество изготовления и контактное сопротивление между контактным металлом и MoS ₂ должны быть преодолены. Многие из предыдущих исследований в этом контексте были сосредоточены на улучшении электрического взаимодействия в интерфейсе MoS ₂ и металлические электроды. Это связано с тем, что свойства, связанные с контактом, включают разность потенциалов, условия отжига и площадь. Однако большинство этих исследований предполагали симметричные переходы и не включали как экспериментальный, так и теоретический анализ. Кроме того, сложно проанализировать поведение оператора связи MoS ₂ . в условиях воздействия газа, наблюдая только модуляцию его зонной структуры. Существует ограничение на применение этих результатов моделирования, потому что эта базовая структура полосы не может предоставить какое-либо конкретное значение для определения модуляции. Более того, хотя считается, что высота барьера Шоттки (SBH) является важным фактором для определения электрического отклика MoS ₂ транзистор в условиях газового поглощения, предыдущие исследования не анализировали влияние SBH ни теоретически, ни экспериментально.

В этом исследовании мы изготовили MoS ₂ Полевые транзисторы с асимметричными электродами из Al и Pt для наблюдения за переносом носителей через барьер Шоттки в условиях воздействия газа. Во-первых, разница работы выхода в устройствах была геометрически отображена путем измерения их поверхностных потенциалов с помощью зондовой силовой микроскопии Кельвина (KPFM). Для разработки MoS ₂ Диод Шоттки, контактный эффект MoS ₂ / металл был проанализирован в условиях окружающей среды как теоретически (расчеты теории функционала плотности (DFT)), так и экспериментально (электрические измерения симметричного и асимметричного MoS ₂ Полевые транзисторы). Электрический отклик диода измерялся в условиях воздействия газа. Затем этот электрический отклик сравнивался с теоретически рассчитанными значениями изменения SBH, что позволяет понять модуляцию численно. Результаты этого исследования дают представление о взаимодействии молекул газа и MoS ₂ / металлический контактный интерфейс в MoS ₂ газоизмерительные устройства.

Метод

Изготовление MoS ₂ Устройства

Мы изготовили MoS ₂ Устройства Шоттки, использующие простой механический метод переноса. Многослойные хлопья MoS ₂ были отслоены от его объемного кристалла, который был приобретен у SPI. Использование полидиметилсилоксана (PDMS) («Sylgard 184», Dow corning), MoS ₂ был переведен на высоколегированный Si / SiO ₂ подложки. Pt и Al электроды (толщиной 100 нм) были нанесены на образцы пленок и сформированы электронно-лучевой литографией с использованием автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (FE-SEM) (JSM-7001F, JEOL Ltd.). Производительность MoS ₂ устройства оценивались путем измерения модуляции напряжения исток / сток и исток / затвор (измеритель источника Keithley 2400) при комнатной температуре.

Измерение поверхностного потенциала

Поверхностный потенциал устройств измеряли с помощью чередующегося режима электрической силовой микроскопии (Nanoscope IV, Veeco) с использованием кремниевого наконечника зонда, покрытого PtIr (SCM-PIT, Veeco), при температуре окружающего воздуха 25 ° C и давлении 1 бар. Первое сканирование наконечника изучило топологию поверхности устройств. Последующее второе сканирование было выполнено для измерения электростатической силы между поверхностью устройства и наконечником.

Расчеты DFT

\ (\ Sqrt {3} \ times \ sqrt {3} \) суперячейка MoS ₂ был приготовлен с тремя атомами Mo и шестью атомами S (рис. 3а). Вакуумный интервал 15 Å был определен для предотвращения взаимодействия изображений. Расчетная постоянная решетки составила 3,184 Å, что хорошо согласуется с экспериментальным значением (3,160 Å). Подложки с шестью слоями атомов металла Al или Pt (со свободной поверхностью (111)) были изготовлены для создания границы раздела между металлами и монослоем MoS ₂ . Расчетные постоянные решетки подложек из Al и Pt составили 4,070 и 3,973 Å соответственно. После оптимизации геометрии каждой конструкции монослой MoS ₂ был нанесен на подложку, и конфигурация была снова оптимизирована. Несоответствие решеток MoS ₂ и металлические подложки наблюдались, потому что монослой MoS ₂ растягивается при оптимизации геометрии. Структура монослоя MoS ₂ с молекулами газа (включая NO ₂ и NH ₃ ) также был построен и оптимизирован с использованием суперячейки \ (\ sqrt {3} \ times \ sqrt {3} \).

Расчеты DFT были выполнены с использованием VASP (пакет для моделирования из первых принципов Vienna) [20,21,22,23]. GGA (обобщенное приближение градиента) –PBE (Perdew-Burke-Ernzerhof) для обменно-корректирующего функционала метода PAW (Projector Augmented-wave) использовался с поправками vdW [24,25,26,27]. Энергия отсечки для базисного набора была увеличена до 500 эВ для всех расчетов. Для расчетов самосогласования и зонной структуры критерии сходимости электронной энергии и атомной силы были установлены на 10 ⁻⁵ эВ и 0,02 эВ / Å соответственно. K-точки для выборки зоны Бриллюэна были 8 × 8 × 1 (с центром гаммы (Γ)). Для измерения vdW-взаимодействий между молекулами газа и MoS ₂ использовался метод Гримма DFT-D2 [28].

Результат и обсуждение

Подготовили MoS ₂ устройства с двумя типами электродов (Al и Pt) и охарактеризовали их морфологию и толщину с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) (рис. 1а). На рисунке 1b показана высота MoS ₂ . слоя по линии поперечного сечения (показано красной линией на рис. 1а). Толщина MoS ₂ образец был 4 нм. Чтобы продемонстрировать разницу в работе выхода в MoS ₂ В устройствах с симметричными и асимметричными электродами мы использовали KPFM для измерения контактной разности потенциалов между MoS ₂ и наконечник зонда. Когда наконечник зонда и образец находились достаточно близко, прикладывалась электростатическая сила из-за разницы в работе выхода между ними. Связь между электростатической силой и работой выхода двух материалов следующая:

где dC / дз - производная емкость между образцом и зондом, q _s - заряд поверхности, а q _t это заряд чаевых. V _{контакт} можно охарактеризовать значением поверхностного потенциала [29]. Используя значение поверхностного потенциала, мы рассчитали работу выхода как

где Φ _m - работа выхода наконечника зонда, χ _s - сродство к электрону, ΔE _fn - положение уровня Ферми от самого нижнего уровня зоны проводимости, а Δ Φ - модифицированный изгиб ленты.

а Принципиальная схема MoS ₂ Диоды Шоттки с Al и Pt контактами. б АСМ изображение MoS ₂ Устройство на диоде Шоттки с несимметричными металлическими электродами (Al / Pt). c Поперечный анализ прибора для измерения толщины MoS ₂ слой. г Изображение потенциала поверхности того же устройства. е Нормированное распределение относительных поверхностных потенциалов MoS ₂ , Al и Pt

Отображение поверхностного потенциала устройств показано на рис. 1c. Мы добавили значение работы выхода (4,85 эВ) Si иглы, покрытой PtIr, чтобы получить работу выхода электрода и части канала [30]. Затем процесс нормализации сопровождался позиционированием процентного значения MoS ₂ между Pt и Al, как показано на рис. 1d. Разница между поверхностными потенциалами Al и MoS ₂ составила 22,5%, что меньше, чем между поверхностными потенциалами Pt и MoS ₂ (100%). В отличие от Pt, Al имеет работу выхода, сравнимую с работой выхода MoS ₂ . Это связано с тем, что поверхностный потенциал Al сравним с потенциалом MoS ₂ . . Поскольку MoS ₂ и Al имеют схожие рабочие функции, они могут образовывать омические контакты. MoS ₂ и Pt демонстрируют контакты Шоттки из-за их большого поверхностного потенциала. Для понимания механизма обнаружения газа необходимы дальнейшие исследования, чтобы подтвердить, происходит ли модуляция потенциала при абсорбции газа.

Для сравнения характеристик асимметричного перехода устройств на рис. 2а, в показаны вольт-амперные характеристики устройств с Al и Pt контактами в диапазоне напряжений затвора –15–15 В соответственно. MoS ₂ Устройство с Al-контактом показало линейный ток стока, который был намного выше, чем у устройства с Pt-контактом. Ток контакта Al был более чем в 1000 раз выше, чем у контакта Pt. Это говорит о низком уровне СБХ устройств с металлическими контактами с низкой работой выхода. Для дальнейшего исследования влияния металлических контактов на MoS ₂ / металл, измерены их передаточные характеристики при различных напряжениях прямого смещения (0,1, 5 и 10 В) (рис. 2б, г). В обоих случаях (контакты Al и Pt) кривые передачи MoS ₂ показали характеристики полупроводников n-типа, т.е. уровень тока при положительных напряжениях затвора был выше, чем при отрицательных напряжениях затвора [31]. При напряжении исток-сток 0,1 В только устройство с алюминиевым контактом показало тенденцию к включению-выключению. Когда напряжение смещения было увеличено до 5 В, отношения включения / выключения контактов Al и Pt составили примерно 10 ⁶ . и 10 ³ , соответственно. Когда напряжение смещения приближалось к 10 В, функция выключения устройства с алюминиевым контактом становилась недоступной, а коэффициент включения-выключения контакта Pt увеличивался. Это говорит о том, что для получения газоизмерительных устройств с желаемыми характеристиками в определенном диапазоне тока обязательно использовать соответствующие металлические контакты. Чтобы определить пороговое напряжение устройств, к их переходным кривым была добавлена ​​зависимость \ (\ sqrt {I_ {DS}} \) от напряжения затвора (рис. 2b, d). Это связано с тем, что легче измерить пороговое напряжение, сглаживая колебания линии \ (\ sqrt {I_ {DS}} - {V} _g \). Пороговое напряжение, индуцированное линией \ (\ sqrt {I_ {DS}} - {V} _g \) для устройства с алюминиевым электродом, составляло около -70 В, а для устройства с Pt-электродом - около -30 В ( Рис. 2а, в). Пороговое напряжение устройства с Al-контактом было намного ниже, чем у устройства с Pt-контактом. Это может быть связано с меньшей высотой Шоттки Al / MoS ₂ интерфейс по сравнению с интерфейсом Pt / MoS ₂ интерфейс. Кроме того, пороговое напряжение устройства с алюминиевым контактом сильно модулировалось напряжением исток-сток. С другой стороны, не наблюдалось значительного изменения порогового напряжения устройства с платиновым контактом с напряжением сток-исток.

а Кривая выхода и b передаточная кривая MoS ₂ устройство с симметричными электродами Al-Al. c Кривая выхода и d кривая передачи того же устройства с симметричными Pt-Pt электродами

Теоретически проанализировать электрические состояния металла / MoS ₂ интерфейса, вычисления DFT проводились с использованием MoS ₂ -он-Al конфигурация (рис. 3а, б). В таблице 1 перечислены рассогласования решеток и расстояние h между MoS ₂ и металлические подложки. Значения, полученные в этом исследовании, соответствовали тем, о которых сообщалось ранее [32]. Ленточные структуры MoS ₂ с подложками из Al и Pt показаны на рис. 3в, г соответственно. Значения работы выхода и SBH приведены в таблице 1. Значения работы выхода и SBH приведены в таблице 1. Работа выхода MoS ₂ с субстратом Pt (5,755 эВ) хорошо согласуется с предыдущими результатами (5,265 эВ) [32]. Значение SBH для устройства с подложкой из Al было на 72% ниже, чем для устройства с подложкой из Pt. Причина различия SBH заключается в разнице работы выхода Al и Pt; работа выхода Al на 64% ниже, чем у Pt. [33] Таким образом, асимметричные контактные системы Al / Pt могут работать как диоды.

а , b 3D-модели MoS ₂ на подложках из Al и Pt, которые использовались в расчетах методом DFT. c , d Ленточные структуры этих моделей. Зеленые линии обозначают энергию Ферми, установленную путем принятия нуля в качестве работы выхода уровня вакуума. Синие штрихи соответствуют энергетическим полосам монослоя MoS ₂ . . Разница между значением зеленых линий и минимальным значением синих штрихов на участке зоны проводимости составляет SBH [38]

Для дальнейшего изучения характеристик асимметричных систем Al / Pt мы изготовили асимметричные металлические электроды Al / Pt на MoS ₂ Устройства Шоттки. На рисунке 4а показаны вольт-амперные характеристики MoS ₂ . устройства с контактами Al-Al, Pt-Pt, Al-Pt и Pt-Al (в порядке истока и стока). В отличие от симметричной кривой устройств Al-Al и Pt-Pt, асимметричный диод показал выпрямительные характеристики в направлении MoS ₂ / Ал контакт. Чтобы исследовать влияние переноса заряда на характеристики устройств, мы наблюдали их токи стока в зависимости от смещения затвора (рис. 4b). Были также получены переходные кривые, соответствующие напряжению исток-сток (рис. 4в). На рис. 4в видно, что пороговое напряжение смещалось от 40 до -40 В с увеличением напряжения исток-сток. Аналогичная тенденция наблюдалась и в случае устройства с симметричным контактом алюминия. Это означает, что Al / MoS ₂ сторона контакта повлияла на транспортировку устройства больше, чем Pt / MoS ₂ контактная сторона.

а И-В _DS кривая MoS ₂ устройство с симметричными электродами (Al-Al, Pt-Pt) и асимметричными электродами (Al-Pt). б Кривая передачи и c выходная кривая асимметричных устройств

Отклик MoS ₂ на газ в реальном времени Диод Шоттки был измерен для наблюдения его модуляции барьера Шоттки с переносом заряда. Газочувствительность диода рассчитывалась по следующему уравнению:

где R _воздух и R _газ представляют сопротивление MoS ₂ Диод Шоттки в условиях окружающей среды и воздействия газа соответственно. На рис. 5 показана газочувствительная способность (изменение сопротивления со временем) MoS ₂ . Устройство Шоттки для NO _x и NH ₃ молекул (10, 20 и 30 ppm) при приложенном смещении сток-исток 3 В. Поскольку NO _x является сильным акцептором электронов и, следовательно, является p-легирующим материалом, сопротивление устройства увеличивалось с увеличением воздействия газа из-за инжекции отрицательного заряда на границе раздела MoS ₂ [34]. P-легирование MoS ₂ увеличил свой барьер Шоттки, что, в свою очередь, увеличило контактное сопротивление в MoS ₂ / металлические интерфейсы. Также наблюдалась зависимость отклика сигнала от поглощения газа. Чувствительность устройства возрастала с увеличением концентрации газа, что свидетельствует об увеличении его переноса заряда. С другой стороны, сопротивление устройства уменьшалось при воздействии NH ₃ . (Рис. 5c). Это потому, что NH ₃ отдает электроны MoS ₂ , тем самым уменьшая его барьер Шоттки [35]. Измеренная газовая чувствительность NH ₃ был намного ниже, чем у NO _x , что указывает на перенос заряда в присутствии NH ₃ был ниже, чем в присутствии NO _x [36]. Кроме того, наблюдалась небольшая зависимость концентрации газа после колебания тока на каждом шаге. При увеличении NH ₃ концентрации, сопротивление устройства снизилось. Это потому, что MoS ₂ Интерфейс / Al показал более низкие значения SBH при более высоких NH ₃ концентрации. Чтобы подтвердить эти результаты теоретически, мы рассчитали SBH MoS ₂ / Al, который контактировал с различными молекулами газа (рис. 5г). Канг и др. ранее обсуждалось о теории барьера Шоттки для MoS ₂ / металлический контакт и объяснил транспортировку носителя через контактную сторону с помощью трех типов моделей [37]. Согласно полосной диаграмме, представленной в этой статье, модуляция барьера Шоттки происходит на границе электрода и канала. Итак, мы разработали композитную структуру, которая имеет равномерно распределенный барьер Шоттки, чтобы облегчить наблюдение модуляции барьера Шоттки в соответствии с поглощением газа. Однако модель применима не ко всем ситуациям. Тип 3 показал, что барьер Шоттки не образовывался на непосредственно контактирующем интерфейсе MoS ₂ и металл из-за сильного эффекта металлизации. Металлы с сильной адгезией к MoS ₂ такие как Ti и Mo, классифицируются как Тип 3. Для изучения различных контактных эффектов в металле / MoS ₂ составной, следует внимательно изучить структуру модели (дополнительный файл 1:рисунки S1 и S2). Только сторона Al была выбрана для расчета высоты барьера, поскольку барьер с Pt электродом не нарушал транспорт носителей при прямом смещении. НЕТ ₂ и NH ₃ были выбраны для модуляции барьера Шоттки MoS ₂ / Al интерфейс. Этот барьер Шоттки сравнивали с тем, который наблюдался в первоначальном состоянии (Таблица 1). Теоретически рассчитанные высоты барьера для NO ₂ и NH ₃ составили 0,16 и 0,13 эВ соответственно. Этот результат показывает, что НЕТ ₂ и NH ₃ индуцированный перенос заряда в разных направлениях. Барьер Шоттки больше пострадал от NO ₂ чем NH ₃ . Эти результаты согласуются с экспериментальными результатами. Результаты также показывают, что MoS ₂ Диоды Шоттки имеют большой потенциал для использования в газоизмерительных устройствах нового поколения.

а Принципиальная схема MoS ₂ и молекулы газа, которые использовались для моделирования. б , c Изменения сопротивления MoS ₂ Диод Шоттки на NO _x и NH ₃ выдержка соответственно. г Теоретически рассчитанная SBH MoS ₂ / металл в условиях окружающей среды и воздействия газа (NO, NO ₂ , и NH ₃ )

Заключение

В этом исследовании мы исследовали влияние контактного материала на свойства MoS ₂ . асимметричные полевые транзисторы в условиях окружающей среды и воздействия газа. Результаты KPFM показали, что Pt имеет самую высокую работу выхода, за ней следует MoS ₂ . и Al. Результаты DFT предсказывают, что SBH MoS ₂ Интерфейс / металл был выше для металла с более высокой работой выхода. Это согласуется с экспериментальными результатами, полученными для симметричных (Al-Al и Pt-Pt) и асимметричных (Al-Pt) полевых транзисторов, изготовленных в данном исследовании. Поглощение NO _x привел к сильному газу и увеличению удельного сопротивления устройства. Противоположные тенденции наблюдались в случае NH ₃ . Эти результаты соответствовали теоретически рассчитанным значениям SBH. В этом исследовании подчеркивается важность выбора подходящих металлических контактов для разработки MoS ₂ газовые датчики с желаемой производительностью.

Сокращения

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

DFT:

Функциональная теория плотности

FET:

Полевой транзистор

КПФМ:

Зондовая силовая микроскопия Кельвина

SBH:

Высота барьера Шоттки

TMD:

Дихалькогениды переходных металлов

V _ds :

Напряжение исток-сток

vdW:

ван дер Ваальс