Properti Transportasi Pembawa Sensor Gas Asimetris MoS2 Di Bawah Modulasi Penghalang Berbasis Transfer Muatan

Abstrak

Selama beberapa tahun terakhir, bahan dua dimensi telah mendapatkan perhatian besar untuk perangkat penginderaan listrik generasi berikutnya karena sifatnya yang unik. Di sini, kami melaporkan properti transportasi pembawa MoS₂ Dioda Schottky di bawah ambient serta kondisi paparan gas. MoS₂ transistor efek medan (FET) dibuat menggunakan elektroda Pt dan Al. Fungsi kerja Pt lebih tinggi dari MoS_2, sedangkan Al lebih rendah dari MoS₂ . MoS₂ perangkat dengan kontak Al menunjukkan arus yang jauh lebih tinggi daripada dengan kontak Pt karena ketinggian penghalang Schottky (SBH) yang lebih rendah. Karakteristik kelistrikan dan respons gas dari MoS₂ Dioda Schottky dengan kontak Al dan Pt diukur secara elektrik dan disimulasikan dengan perhitungan teori fungsi densitas. SBH dioda yang dihitung secara teoritis (di bawah penyerapan gas) menunjukkan bahwa NO_x molekul memiliki interaksi yang kuat dengan dioda dan menginduksi transfer muatan negatif. Namun, tren yang berlawanan diamati dalam kasus NH₃ molekul. Kami juga menyelidiki pengaruh kontak logam pada kinerja sensor gas MoS₂ FET baik secara eksperimental maupun teoritis.

Latar Belakang

Dalam beberapa tahun terakhir, setelah penemuan graphene, bahan nano dua dimensi (2D), yang memiliki lapisan bertumpuk vertikal yang dihubungkan oleh gaya van der Waals (vdW), telah mendapatkan perhatian besar karena sifatnya yang unik [1,2,3,4 ,5]. Grafena, yang merupakan struktur heksagonal berlapis karbon, dengan sifat uniknya seperti mobilitas pembawa yang tinggi [6, 7], kekuatan mekanik [8], dan fleksibilitas [9, 10], telah membuka jalan baru untuk perangkat nanoelektronik. Baru-baru ini, dichalcogenides logam transisi (TMD), seperti MoS₂ dan WSe₂ , juga telah dipelajari karena celah pitanya yang lebih tinggi dibandingkan dengan graphene [11,12,13,14,15]. Monolayer MoS_2, dengan ketebalan 6,5 Å adalah TMD berlapis 2D yang paling dikenal luas. Ini menunjukkan mobilitas tinggi hingga ~ 200 cm² V⁻¹ s⁻¹ [16] dan rasio hidup/mati melebihi ~ 10⁸ [17]. Selanjutnya, MoS₂ adalah semikonduktor dengan celah pita tidak langsung sebesar 1,2 eV [18] dalam jumlah besar dan celah pita langsung sebesar 1,8 eV [19] dalam satu lapisan tidak seperti graphene yang memiliki celah pita nol. Celah pita nol dari graphene ini membatasi penerapannya pada perangkat nanoelektronik.

Untuk mengembangkan MoS₂ transistor dengan kinerja yang sebanding dengan perangkat berbasis silikon, banyak keterbatasan seperti kualitas keadaan kisi, fabrikasi, dan resistansi kontak antara logam kontak dan MoS₂ harus diatasi. Banyak penelitian sebelumnya dalam konteks ini telah berfokus pada peningkatan interaksi listrik pada antarmuka MoS₂ dan elektroda logam. Ini karena sifat-sifat yang berhubungan dengan kontak meliputi beda potensial, kondisi anil, dan luas. Namun, sebagian besar studi ini mengasumsikan persimpangan simetris dan tidak melibatkan analisis eksperimental dan teoretis. Selain itu, sulit untuk menganalisis perilaku pembawa MoS₂ di bawah kondisi paparan gas dengan hanya mengamati modulasi struktur pitanya. Ada batasan untuk menerapkan hasil simulasi ini karena struktur pita dasar ini tidak dapat memberikan nilai spesifik untuk menentukan modulasi. Selain itu, meskipun ketinggian penghalang Schottky (SBH) diyakini menjadi faktor penting untuk menentukan respons listrik MoS₂ transistor di bawah penyerapan gas, penelitian sebelumnya tidak menganalisis pengaruh SBH baik secara teoritis maupun eksperimental.

Dalam penelitian ini, kami membuat MoS₂ FET dengan elektroda asimetris, Al dan Pt, untuk mengamati pengangkutan pembawa melalui penghalang Schottky dalam kondisi paparan gas. Pertama, perbedaan fungsi kerja di perangkat dipetakan secara geometris dengan mengukur potensial permukaannya menggunakan mikroskop gaya probe Kelvin (KPFM). Untuk mendesain MoS₂ Dioda Schottky, efek kontak dari MoS₂ /antarmuka logam dianalisis dalam kondisi sekitar baik secara teoritis (perhitungan teori fungsi kepadatan (DFT)) dan secara eksperimental (pengukuran listrik dari MoS simetris dan asimetris₂ FET). Respon listrik dioda diukur di bawah kondisi paparan gas. Respon listrik ini kemudian dibandingkan dengan nilai perubahan SBH yang dihitung secara teoritis yang memungkinkan untuk memahami modulasi secara numerik. Temuan penelitian ini memberikan wawasan tentang interaksi molekul gas dan MoS₂ /antarmuka kontak logam di MoS₂ perangkat penginderaan gas berbasis.

Metode

Fabrikasi MoS₂ Perangkat

Kami membuat MoS₂ Perangkat Schottky menggunakan metode transfer mekanis yang mudah. Serpihan MoS beberapa lapis₂ terkelupas dari kristal curahnya, yang dibeli dari persediaan SPI. Menggunakan polydimethylsiloxane (PDMS) (“Sylgard 184”, Dow corning), MoS₂ dipindahkan ke Si/SiO yang sangat doping₂ substrat. Elektroda Pt dan Al (tebal 100 nm) diendapkan pada film sampel dan dipola dengan litografi berkas elektron menggunakan mikroskop elektron pemindaian emisi medan (FE-SEM) (JSM-7001F, JEOL Ltd.). Kinerja MoS₂ perangkat dievaluasi dengan mengukur modulasi tegangan sumber/pembuangan dan sumber/gerbang (pengukur sumber Keithley 2400) pada suhu kamar.

Pengukuran Potensi Permukaan

Potensi permukaan perangkat diukur dengan mode interleave mikroskop gaya listrik (Nanoscope IV, Veeco) menggunakan ujung probe silikon berlapis PtIr (SCM-PIT, Veeco) pada kondisi udara sekitar 25 °C dan 1 bar. Pemindaian ujung pertama memeriksa topologi permukaan perangkat. Pemindaian kedua berikutnya dilakukan untuk mengukur gaya elektrostatik antara permukaan perangkat dan ujungnya.

Penghitungan DFT

Sebuah $ \sqrt{3}\times \sqrt{3} $ supercell dari MoS₂ dibuat dengan tiga atom Mo dan enam atom S (Gbr. 3a). Spasi vakum 15 Å ditentukan untuk mencegah interaksi gambar. Konstanta kisi dihitung menjadi 3,184 Å, yang sesuai dengan nilai eksperimen (3,160 ). Substrat dengan enam lapisan atom logam Al atau Pt (dengan (111) permukaan bebas) dibuat untuk membangun antarmuka antara logam dan monolayer MoS₂ . Konstanta kisi substrat Al dan Pt dihitung masing-masing menjadi 4,070 dan 3,973 Å. Setelah optimasi geometri setiap struktur, monolayer MoS₂ diendapkan pada substrat dan konfigurasi dioptimalkan lagi. Ketidakcocokan kisi antara MoS₂ dan substrat logam diamati karena monolayer MoS₂ membentang selama optimasi geometri. Struktur monolayer MoS₂ dengan molekul gas (termasuk NO₂ dan NH₃ ) juga dibangun dan dioptimalkan menggunakan supercell $ \sqrt{3}\times \sqrt{3} $.

Perhitungan DFT dilakukan dengan menggunakan VASP (Paket simulasi Wina ab initio) [20,21,22,23]. GGA (generalized gradient approximation)–PBE (Perdew-Burke-Ernzerhof) ke fungsi koreksi-tukar dari metode PAW (Projector Augmented-wave) digunakan dengan koreksi vdW [24,25,26,27]. Energi cutoff untuk basis set diperpanjang hingga 500 eV untuk semua perhitungan. Untuk perhitungan konsistensi-diri dan struktur pita, kriteria konvergensi energi elektronik dan gaya atom ditetapkan ke 10⁻⁵ eV dan 0,02 eV/Å, masing-masing. Titik-K untuk pengambilan sampel zona Brillouin adalah 8 × 8 × 1 (dengan titik Gamma (Γ) berpusat). Untuk mengukur interaksi vdW antara molekul gas dan MoS₂ , metode DFT-D2 dari Grimme digunakan [28].

Hasil dan Diskusi

Kami menyiapkan MoS₂ perangkat dengan dua jenis elektroda (Al dan Pt) dan dikarakterisasi morfologi dan ketebalannya menggunakan mikroskop gaya atom (AFM) (Gbr. 1a). Gambar 1b menunjukkan ketinggian MoS₂ lapisan di sepanjang garis penampang (ditunjukkan oleh garis merah pada Gambar. 1a). Ketebalan MoS₂ sampel adalah 4 nm. Untuk mendemonstrasikan perbedaan fungsi kerja di MoS₂ perangkat dengan elektroda simetris dan asimetris, kami menggunakan KPFM untuk mengukur perbedaan potensial kontak antara MoS₂ dan ujung probe. Ketika ujung probe dan sampel cukup dekat, gaya elektrostatik diterapkan karena perbedaan fungsi kerja di antara keduanya. Hubungan antara gaya elektrostatik dan fungsi kerja kedua bahan adalah sebagai berikut:

$$ {F}_{\mathrm{electrostatic}}=\frac{q_{\mathrm{s}}{q}_{\mathrm{t}}}{4{\pi \varepsilon}_0{z}^ 2}+\frac{1}{2}\frac{dC}{dz}{\left({V}_{\mathrm{applied}}-{V}_{\mathrm{contact}}\right)} ^2 $$

dimana dC /dz adalah kapasitansi turunan antara sampel dan ujung, q _s adalah muatan permukaan, dan q _t adalah muatan ujungnya. V _hubungi dapat dicirikan oleh nilai potensial permukaan [29]. Menggunakan nilai potensial permukaan, kami menghitung fungsi kerja sebagai

$$ {V}_{\mathrm{contact}}={\Phi}_m-{\chi}_s-\varDelta {E}_{fm}-\varDelta \Phi $$

dimana _m adalah fungsi kerja ujung probe, χ _s adalah afinitas elektron, ΔE _fn adalah posisi tingkat Fermi dari tingkat terendah pita konduksi, dan Δ adalah pembengkokan pita yang dimodifikasi.

a Diagram skema dari MoS₂ Dioda Schottky dengan kontak Al dan Pt. b Gambar AFM dari MoS₂ Perangkat dioda Schottky dengan elektroda logam asimetris (Al/Pt). c Analisis penampang perangkat untuk mengukur ketebalan MoS₂ lapisan. d Gambar potensial permukaan dari perangkat yang sama. e Distribusi normal dari potensial permukaan relatif MoS₂ , Al, dan Pt

Pemetaan potensi permukaan perangkat ditunjukkan pada Gambar. 1c. Kami menambahkan nilai fungsi kerja (4,85 eV) ujung Si berlapis PtIr untuk mendapatkan fungsi kerja elektroda dan bagian saluran [30]. Kemudian, proses normalisasi dilanjutkan dengan memposisikan nilai persentase MoS₂ antara Pt dan Al seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1d. Perbedaan antara potensial permukaan Al dan MoS₂ adalah 22,5%, yang lebih kecil dari antara potensial permukaan Pt dan MoS₂ (100%). Tidak seperti Pt, Al memiliki fungsi kerja yang sebanding dengan MoS₂ . Ini karena potensi permukaan Al sebanding dengan MoS₂ . Sejak, MoS₂ dan Al memiliki fungsi kerja yang serupa, mereka dapat membentuk kontak Ohmic. MoS₂ dan Pt menunjukkan kontak Schottky karena potensi permukaannya yang besar. Studi lebih lanjut harus diikuti untuk memastikan apakah modulasi potensial terjadi di bawah penyerapan gas untuk memahami mekanisme penginderaan gas.

Untuk membandingkan karakteristik sambungan asimetris perangkat, karakteristik tegangan arus perangkat dengan kontak Al dan Pt pada rentang tegangan gerbang 15–15 V masing-masing ditunjukkan pada Gambar 2a, c. MoS₂ perangkat dengan kontak Al menunjukkan arus drain linier yang jauh lebih tinggi daripada perangkat dengan kontak Pt. Arus kontak Al lebih dari 1000 kali lebih tinggi dari kontak Pt. Ini menunjukkan bahwa SBH perangkat dengan kontak logam fungsi kerja rendah rendah. Untuk menyelidiki lebih lanjut pengaruh kontak logam pada MoS₂ /logam antarmuka perangkat, karakteristik transfernya pada tegangan bias maju yang berbeda (0,1, 5, dan 10 V) diukur (Gbr. 2b, d). Dalam kedua kasus (kontak Al dan Pt), kurva transfer MoS₂ menunjukkan karakteristik semikonduktor tipe-n, yaitu tingkat arus pada tegangan gerbang positif lebih tinggi dari pada tegangan gerbang negatif [31]. Pada bias source-drain 0,1 V, hanya perangkat dengan kontak Al yang menunjukkan kecenderungan on-off. Saat bias ditingkatkan menjadi 5 V, rasio hidup-mati dari kontak Al dan Pt kira-kira 10⁶ dan 10³ , masing-masing. Saat tegangan bias mendekati 10 V, fungsi mati perangkat dengan kontak Al menjadi dinonaktifkan, sedangkan rasio hidup-mati kontak Pt meningkat. Ini menunjukkan bahwa untuk mencapai perangkat penginderaan gas dengan kinerja yang diinginkan pada rentang arus tertentu, sangat penting untuk menggunakan kontak logam yang sesuai. Untuk menentukan tegangan ambang perangkat, $ \sqrt{I_{DS}} $ versus kurva tegangan gerbang ditambahkan ke kurva transfernya (Gbr. 2b, d). Ini karena lebih mudah untuk mengukur tegangan ambang dengan menghaluskan fluktuasi garis $ \sqrt{I_{DS}}-{V}_g $. Tegangan ambang batas yang diinduksi oleh saluran $ \sqrt{I_{DS}}-{V}_g $ untuk perangkat dengan elektroda Al adalah sekitar 70 V, sedangkan untuk perangkat dengan elektroda Pt adalah sekitar 30 V ( Gambar 2a, c). Tegangan ambang perangkat dengan kontak Al jauh lebih rendah daripada perangkat dengan kontak Pt. Ini dapat dikaitkan dengan ketinggian Schottky yang lebih rendah dari Al/MoS₂ antarmuka dibandingkan dengan Pt/MoS₂ antarmuka. Selain itu, tegangan ambang perangkat dengan kontak Al sangat dimodulasi oleh tegangan sumber-penguras. Di sisi lain, tidak ada perubahan signifikan yang diamati pada tegangan ambang perangkat dengan kontak Pt dengan tegangan sumber saluran.

a Kurva keluaran dan b kurva transfer MoS₂ perangkat dengan elektroda simetris Al-Al. c Kurva keluaran dan d kurva transfer perangkat yang sama dengan elektroda simetris Pt-Pt

Untuk menganalisis secara teoritis keadaan listrik pada logam/MoS₂ antarmuka, perhitungan DFT dilakukan menggunakan MoS₂ konfigurasi -on-Al (Gbr. 3a, b). Tabel 1 mencantumkan ketidakcocokan kisi dan jarak h antara MoS₂ dan substrat logam. Nilai yang diperoleh dalam penelitian ini konsisten dengan yang dilaporkan sebelumnya [32]. Struktur pita MoS₂ dengan substrat Al dan Pt masing-masing ditunjukkan pada Gambar 3c, d. Fungsi kerja dan nilai SBH dirangkum dalam Tabel 1. Fungsi kerja dan nilai SBH dirangkum dalam Tabel 1. Fungsi kerja MoS₂ dengan substrat Pt (5.755 eV) sangat cocok dengan hasil sebelumnya (5.265 eV) [32]. Nilai SBH untuk perangkat dengan substrat Al adalah 72% lebih rendah dari pada perangkat dengan substrat Pt. Penyebab perbedaan SBH dihasilkan dari perbedaan fungsi kerja antara Al dan Pt; fungsi kerja Al adalah 64% lebih rendah dari Pt. [33] Dengan demikian, sistem kontak asimetris Al/Pt dapat berfungsi sebagai dioda.

a , b Model 3D MoS₂ pada substrat Al dan Pt, yang digunakan dalam perhitungan DFT. c , d Struktur pita model ini. Garis hijau menunjukkan set energi Fermi dengan mengambil nol sebagai fungsi kerja tingkat vakum. Garis putus-putus biru sesuai dengan pita energi MoS monolayer₂ . Selisih antara nilai garis hijau dan nilai minimum garis biru pada situs pita konduksi adalah SBH [38]

Untuk memeriksa lebih lanjut kinerja sistem asimetris Al/Pt, kami membuat elektroda logam asimetris Al/Pt pada MoS₂ Perangkat Schottky. Gambar 4a menunjukkan karakteristik tegangan-arus dari MoS₂ perangkat dengan kontak Al-Al, Pt-Pt, Al-Pt, dan Pt-Al (sesuai urutan source dan drain). Berbeda dengan kurva simetris perangkat Al-Al dan Pt-Pt, dioda asimetris menunjukkan karakteristik penyearah ke arah MoS₂ /Al kontak. Untuk menyelidiki pengaruh transfer muatan pada kinerja perangkat, kami mengamati arus pembuangannya sebagai fungsi dari bias gerbang (Gbr. 4b). Kurva transfer yang sesuai dengan tegangan source-drain juga diperoleh (Gbr. 4c). Gambar 4c menunjukkan bahwa tegangan ambang bergeser dari 40 ke 40 V dengan peningkatan tegangan sumber-penguras. Tren serupa diamati dalam kasus perangkat yang terhubung dengan Al secara simetris. Ini menyiratkan bahwa Al/MoS₂ sisi kontak mempengaruhi transportasi pembawa perangkat lebih dari Pt/MoS₂ sisi kontak.

a I-V_DS kurva dari MoS₂ perangkat dengan elektroda simetris (Al-Al, Pt-Pt) dan elektroda asimetris (Al-Pt). b Kurva transfer dan c kurva output perangkat asimetris

Respons gas real-time dari MoS₂ Dioda Schottky diukur untuk mengamati modulasi penghalang Schottky-nya dengan transfer muatan. Sensitivitas gas dioda dihitung menggunakan persamaan berikut:

$$ \frac{\Delta R}{R_{\mathrm{air}}}=\frac{R_{\mathrm{gas}}-{R}_{\mathrm{air}}}{R_{\mathrm{ udara}}} $$

dimana R _udara dan R _gas mewakili perlawanan dari MoS₂ Dioda Schottky di bawah kondisi paparan ambient dan gas, masing-masing. Gambar 5 menunjukkan kemampuan pendeteksian gas (perubahan resistensi terhadap waktu) dari MoS₂ Perangkat Schottky untuk NO_x dan NH₃ molekul (10, 20, dan 30 ppm) pada bias source-drain yang diterapkan sebesar 3 V. Karena NO_x adalah akseptor elektron yang kuat, dan karenanya merupakan bahan doping-p, resistansi perangkat meningkat dengan peningkatan paparan gas karena injeksi muatan negatif pada antarmuka MoS₂ [34]. P-doping MoS₂ meningkatkan penghalang Schottky, yang pada gilirannya meningkatkan resistensi kontak di MoS₂ / antarmuka logam. Ketergantungan penyerapan gas dari respon sinyal juga diamati. Sensitivitas perangkat meningkat dengan peningkatan konsentrasi gas, yang menunjukkan peningkatan transfer muatannya. Resistansi perangkat di sisi lain menurun saat terpapar NH₃ (Gbr. 5c). Ini karena NH₃ mendonorkan elektron ke MoS₂ , sehingga mengurangi penghalang Schottky-nya [35]. Sensitivitas gas terukur NH₃ jauh lebih rendah daripada NO_x , menunjukkan bahwa transfer muatan dengan adanya NH₃ lebih rendah dibandingkan dengan adanya NO_x [36]. Selain itu, sedikit ketergantungan konsentrasi gas juga diamati setelah fluktuasi arus di setiap langkah. Dengan peningkatan NH₃ konsentrasi, resistansi perangkat menurun. Ini karena MoS₂ /Al antarmuka menunjukkan nilai SBH yang lebih rendah pada NH yang lebih tinggi₃ konsentrasi. Untuk mengkonfirmasi hasil ini secara teoritis, kami menghitung SBH dari MoS₂ /Al antarmuka, yang bersentuhan dengan berbagai jenis molekul gas (Gbr. 5d). Kang dkk. sebelumnya dibahas tentang teori penghalang Schottky dari MoS₂ /kontak logam dan menjelaskan pengangkutan pembawa melalui sisi kontak dengan menggunakan tiga jenis model [37]. Menurut diagram pita yang diilustrasikan dalam makalah ini, modulasi penghalang Schottky terjadi pada batas elektroda dan saluran. Oleh karena itu, kami merancang struktur komposit yang memiliki penghalang Schottky yang terdistribusi secara merata untuk memudahkan pengamatan modulasi penghalang Schottky menurut penyerapan gas. Namun, model tersebut tidak diterapkan pada semua situasi. Tipe 3 menunjukkan bahwa penghalang Schottky tidak terbentuk pada antarmuka yang dihubungi langsung dari MoS₂ dan logam karena efek metalisasi yang kuat. Logam yang memiliki daya rekat kuat dengan MoS₂ seperti Ti dan Mo diklasifikasikan sebagai Tipe 3. Untuk mengeksplorasi berbagai efek kontak di logam/MoS₂ komposit, pertimbangan yang cermat harus diikuti untuk merancang struktur model (File tambahan 1:Gambar S1 dan S2). Hanya sisi Al yang dipilih untuk menghitung tinggi penghalang karena penghalang dengan elektroda Pt tidak mengganggu transport pembawa di bawah bias maju. TIDAK₂ dan NH₃ dipilih untuk modulasi penghalang Schottky dari MoS₂ /Al antarmuka. Penghalang Schottky ini dibandingkan dengan yang diamati dalam kondisi murni (Tabel 1). Ketinggian penghalang yang dihitung secara teoritis untuk NO₂ dan NH₃ adalah 0,16 dan 0,13 eV, masing-masing. Hasil ini menunjukkan bahwa TIDAK₂ dan NH₃ transfer muatan yang diinduksi dalam arah yang berbeda. Penghalang Schottky lebih dipengaruhi oleh NO₂ daripada oleh NH₃ . Hasil ini konsisten dengan hasil eksperimen. Hasilnya juga menunjukkan bahwa MoS₂ Dioda Schottky memiliki potensi besar untuk digunakan pada perangkat sensor gas generasi berikutnya.

a Diagram skema MoS₂ dan molekul gas, yang digunakan untuk simulasi. b , c Perubahan resistensi dari MoS₂ Dioda Schottky pada NO_x dan NH₃ paparan, masing-masing. d SBH dari MoS yang dihitung secara teoritis₂ /antarmuka logam di bawah kondisi lingkungan dan paparan gas (TIDAK, TIDAK₂ , dan NH₃ )

Kesimpulan

Dalam penelitian ini, kami menyelidiki pengaruh bahan kontak pada sifat-sifat MoS₂ FET asimetris di bawah kondisi paparan ambien dan gas. Hasil KPFM menunjukkan bahwa Pt memiliki fungsi kerja tertinggi diikuti oleh MoS₂ dan Al. Hasil DFT memperkirakan bahwa SBH MoS₂ / antarmuka logam lebih tinggi untuk logam dengan fungsi kerja yang lebih tinggi. Hal ini sesuai dengan hasil eksperimen yang diperoleh untuk FET simetris (Al-Al dan Pt-Pt) dan asimetris (Al-Pt) yang dibuat dalam penelitian ini. Penyerapan NO_x menghasilkan respons gas yang kuat dan peningkatan resistivitas perangkat. Tren yang berlawanan diamati dalam kasus NH₃ . Hasil ini konsisten dengan nilai SBH yang dihitung secara teoritis. Studi ini menekankan pada pentingnya memilih kontak logam yang tepat untuk mengembangkan MoS₂ sensor gas dengan kinerja yang diinginkan.