Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Pengaruh P-Doping Facile pada Karakteristik Listrik dan Optoelektronik Transistor Efek Medan WSe2 Ambipolar

Abstrak

Kami menyelidiki karakteristik listrik dan optoelektronik dari WSe ambipolar2 transistor efek medan (FET) melalui proses p-doping yang lancar selama anil termal di lingkungan. Melalui anil ini, molekul oksigen berhasil didoping ke dalam WSe2 permukaan, yang memastikan konduktivitas tipe-p yang lebih tinggi dan pergeseran kurva transfer ke arah tegangan gerbang positif. Selain itu, karakteristik respons pertukaran foto yang jauh lebih baik dari WSe ambipolar2 FET dicapai dengan anil di ambien. Untuk mengeksplorasi asal mula perubahan sifat listrik dan optoelektronik, analisis melalui fotoelektron sinar-X, Raman, dan spektroskopi fotoluminesensi dilakukan. Dari analisa tersebut, ternyata WO3 lapisan yang dibentuk oleh anil di ambient memperkenalkan p-doping ke ambipolar WSe2 FET, dan gangguan yang berasal dari WO3 /WSe2 antarmuka bertindak sebagai situs rekombinasi non-radiatif, yang mengarah ke karakteristik waktu respons pertukaran foto yang ditingkatkan secara signifikan.

Latar Belakang

Bahan dua dimensi (2D) telah menarik minat yang cukup besar sebagai kandidat yang menjanjikan untuk perangkat elektronik dan optoelektronik generasi berikutnya [1, 2]. Meskipun graphene adalah salah satu bahan 2D yang paling banyak dipelajari, ia tidak memiliki celah pita intrinsik, membatasi aplikasinya yang luas. Sementara itu, dichalcogenides logam transisi 2D (TMDs), seperti MoS2 , MoSe2 , WS2 , dan WSe2 , menguntungkan karena dapat digunakan sebagai bahan saluran transistor efek medan (FET) karena sifat celah pita intrinsiknya, mobilitas pembawa yang baik, dan rasio hidup/mati yang tinggi [2, 3]. Oleh karena itu, TMD telah banyak digunakan di berbagai perangkat, seperti transistor [4,5,6], sensor [7,8,9,10], rangkaian logika [11], perangkat memori [12], perangkat emisi medan [ 13], dan fotodetektor [14, 15]. Secara khusus, FET berdasarkan WSe2 telah menunjukkan karakteristik ambipolar yang hebat seperti mobilitas pembawa yang tinggi, sifat fotoresponsif yang luar biasa, fleksibilitas mekanik yang sangat baik, dan daya tahan [16,17,18]. Namun demikian, doping WSe2 diperlukan untuk lebih meningkatkan mobilitas efek medan atau properti kontak yang penting dalam berbagai aplikasi elektronik [16, 19]. Di antara banyak pendekatan untuk doping, anil termal di ambien untuk membentuk WO3 lapisan pada WSe2 permukaan telah terbukti menjadi proses doping tipe-p yang lancar dan efisien [20,21,22]. Misalnya, Liu dkk. WSe yang dianil secara termal2 film di lingkungan tanpa menggunakan zat tambahan untuk mengoles film dengan cara tipe-p dan meningkatkan mobilitas lubang hingga 83 cm 2 V −1 s −1 dengan menggunakan substrat boron nitrida heksagonal [20]. Namun, studi menyeluruh tentang karakteristik optik dan optoelektronik WSe2 didoping oleh WO3 diinginkan untuk aplikasi optoelektronik seperti fototransistor, fotodioda, dan dioda pemancar cahaya [17, 18, 23, 24].

Dalam karya ini, kami menjelajahi sifat listrik, optik, dan optoelektronik dari WSe ambipolar2 FET sebelum dan sesudah anil termal di lingkungan. Lapisan teroksidasi (WO3 ) dibentuk pada WSe2 permukaan selama anil berhasil memasukkan p-doping ke WSe ambipolar2 FET, menyebabkan pergeseran kurva transfer ke arah tegangan gerbang positif. Menariknya, fotokonduktivitas tahan lama, yang merupakan fenomena tertahannya konduktansi setelah penyinaran cahaya dimatikan, menghilang setelah anil. Selanjutnya, kami melakukan berbagai percobaan, seperti spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS), spektroskopi photoluminescence (PL), dan spektroskopi Raman untuk menyelidiki asal mula perubahan karakteristik listrik dan perpindahan foto dari WSe ambipolar2 FET.

Metode

WSe2 serpihan disiapkan dengan metode pengelupasan mikromekanis dari WSe2 . massal kristal, dan dipindahkan ke SiO2 setebal 270 nm2 lapisan pada wafer p++ Si yang didoping berat (resistivitas ~ 5 × 10 −3 cm) yang digunakan sebagai gerbang belakang perangkat FET. Ketebalan WSe2 serpihan diukur menggunakan mikroskop kekuatan atom (NX 10 AFM, Park Systems). Untuk membuat pola elektroda, kami spin-coated poly(methyl methacrylate) (PMMA) 495K (konsentrasi 11% dalam anisole) sebagai lapisan penahan elektron pada 4000 rpm. Setelah spin-coating, sampel dipanggang di atas hot plate pada suhu 180 °C selama 90 detik. Kami merancang pola elektroda menggunakan instrumen litografi berkas elektron (JSM-6510, JEOL), dan mengembangkan pola dengan larutan metil isobutil keton/isopropil alkohol (1:3) selama 120 detik. Terakhir, elektroda logam titanium (tebal 30 nm) diendapkan menggunakan evaporator berkas elektron (KVE-2004L, Korea Vacuum Tech).

Thermal annealing in ambien dilakukan pada hot plate pada temperatur tertentu. Anil termal dalam ruang hampa dilakukan menggunakan sistem anil termal cepat (KVR-4000, Korea Vacuum Tech) pada 4,5 × 10 −4 Torr dan 200 °C selama 1 jam.

Pengukuran fotoluminesensi dan spektroskopi Raman dilakukan menggunakan sistem pencitraan confocal (XperRamn 200, Nanobase) dengan panjang gelombang laser 532 nm. Pengukuran spektroskopi fotoelektron sinar-X dilakukan menggunakan penganalisis energi elektron (AXIS SUPRA, Kratos). Karakteristik listrik perangkat diukur menggunakan stasiun probe (JANIS, ST-500) dan penganalisis parameter semikonduktor (Keithley 4200-SCS). Respons foto perangkat diukur di bawah pencahayaan laser (MDE4070V).

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a menunjukkan gambar optik dari WSe2 serpihan dan WSe buatan2 FET. WSe2 serpihan secara mekanis terkelupas dari WSe massal2 kristal dan ditransfer pada SiO setebal 270 nm2 permukaan pada wafer p++ Si yang didoping berat yang digunakan sebagai gerbang belakang FET. Pola logam titanium yang digunakan sebagai elektroda sumber dan saluran pembuangan diendapkan pada WSe2 permukaan. Proses fabrikasi perangkat rinci dijelaskan dalam file tambahan 1:Gambar S1. Skema WSe ambipolar yang dibuat2 FET ditunjukkan pada Gambar. 1b. Semua properti listrik dan photoswitching WSe2 FET diukur dalam ruang hampa (~ 3,5 × 10 −3 Torr) karena molekul oksigen dan air di udara dapat mempengaruhi sifat-sifat WSe2 FET. Misalnya, telah dilaporkan bahwa jenis semikonduktor WSe2 FET dapat diubah dari tipe-n ke tipe-p dengan paparan udara [25]. Gambar mikroskop kekuatan atom (AFM) dari WSe2 serpihan ditampilkan pada Gambar. 1c dengan profil penampang topografi. Ketebalan WSe yang diukur2 serpihan melintasi garis biru ditemukan ~ 1,2 nm (grafik sisipan pada Gambar. 1c), sesuai dengan bilayer WSe2 (ketebalan monolayer WSe2 adalah ~ 0,7 nm) [16]. Gambar 1d menampilkan spektrum Raman dari WSe2 menunjukkan dua puncak yang jelas (puncak pada 520 cm −1 ditugaskan ke substrat Si). Puncak Raman pada 245 cm −1 sesuai dengan dalam pesawat (E 1 2g mode) atau di luar bidang (A1g mode) getaran WSe2 , dan puncak Raman pada 308 cm −1 sesuai dengan B 1 2g mode yang hanya muncul di WSe multilayer2 karena interaksi interlayer tambahan [26]. Temuan ini memastikan kualitas yang baik dari WSe2 serpihan yang digunakan dalam percobaan ini. E 1 2g dan A1g puncak WSe2 tidak dapat dibedakan dengan instrumen spektroskopi Raman dalam penelitian ini karena hampir mengalami degenerasi [27]. Gambar 1e menunjukkan kurva transfer (arus saluran sumber versus tegangan gerbang; I DS -V GS kurva) dari WSe ambipolar2 FET. Perilaku transportasi ambipolar seperti itu dari WSe2 FET disebabkan oleh jumlah WSe2 lapisan (bilayer) yang dapat menentukan jenis pembawa utama di FET [28, 29].

a Gambar optik dari WSe2 serpihan (kiri) dan WSe buatan2 FET (kanan). b Skema WSe yang dibuat2 FET dengan kontak Ti. c Gambar AFM dan d Spektrum Raman dari WSe2 . e Aku DS -V GS kurva ambipolar WSe2 FET

Gambar 2a menunjukkan I DS -V GS kurva WSe2 FET sebelum dan sesudah anil termal di lingkungan pada 200 °C selama 1 jam. Kurva keluaran (arus penguras sumber versus tegangan penguras sumber; I DS -V DS kurva) dari WSe yang sama2 FET sebelum dan sesudah anil ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S2. Beberapa poin dicatat di sini. Pertama, tegangan di mana jenis pembawa mayoritas berubah (V n p ) bergeser dari 15 ke 5 V setelah anil di ambien (diwakili oleh panah hijau pada Gambar. 2a). Kedua, Aku DS meningkat secara signifikan pada V GS di mana pembawa mayoritas adalah lubang (V GS V n p ) dan menurun pada V GS di mana pembawa mayoritas adalah elektron (V GS > V n p ) setelah anil (diwakili oleh panah biru pada Gambar. 2a). Perilaku ini dikaitkan dengan WO3 lapisan yang dibentuk oleh anil yang memasukkan p-doping ke dalam WSe2 FET [20]. Ketiga, setelah anil, mobilitas lubang meningkat dari 0,13 menjadi 1,3 cm 2 V −1 s −1 , dan mobilitas elektron menurun dari 5,5 menjadi 0,69 cm 2 V −1 s −1 . Kami menggunakan rumus μ =(dSaya DS /dV GS ) × [L /(WC i V DS )] untuk menghitung mobilitas pembawa, di mana L (~ 1,5 m) adalah panjang saluran, W (~ 2,8 m) adalah lebar saluran, dan C i =ε 0 ε r /d =1,3 × 10 −4 F m −2 adalah kapasitansi antara WSe2 dan wafer p++ Si per satuan luas. Di sini, ε r (~ 3.9) adalah konstanta dielektrik SiO2 dan d (270 nm) adalah ketebalan SiO2 lapisan. Perubahan sifat kelistrikan ini setelah anil dapat diamati lebih jelas pada plot kontur yang menunjukkan I DS sebagai fungsi dari V GS dan V DS sebelum (panel atas) dan setelah (panel bawah) anil di sekitar (Gbr. 2b). Plot kontur ini dibuat berdasarkan banyak I DS -V GS kurva diukur dalam V GS berkisar dari 70 hingga 70 V dengan langkah 1,25 V dan V DS berkisar dari 3 hingga 6 V dengan langkah 0,25 V. Daerah biru di plot kontur bergeser ke arah V . positif GS arah setelah anil. Pergeseran ini konsisten dengan pergeseran kurva transfer yang ditunjukkan oleh panah hijau pada Gambar. 2a. Perubahan warna pada positif dan negatif V GS (Gbr. 2b) setelah anil menunjukkan perubahan arus saluran WSe2 FET (Gbr. 2a). WSe lainnya2 FET juga menunjukkan perubahan yang sama dalam sifat listrik setelah anil di ambien (lihat file tambahan 1:Gambar S3 dan S4 dalam file tambahan). Selain itu, perubahan karakteristik kelistrikan dengan anil WSe2 FET dalam ruang hampa (~ 4,5 × 10 −4 Torr) pada 200 °C selama 1 jam diselidiki (Gbr. 2c, d). Berbeda dengan hasil anil FET di ambient, I DS meningkat pada keduanya V GS kondisi V GS > V n p dan V GS V n p . Peningkatan I DS diperoleh dengan anil dalam ruang hampa dikaitkan dengan peningkatan WSe2 -Ti kontak tanpa pembentukan WO3 [30]. Dari hasil perbandingan, dapat diantisipasi bahwa p-doping diperkenalkan melalui interaksi dengan molekul oksigen selama annealing di lingkungan. Asal-usul perubahan karakteristik kelistrikan dibahas lebih rinci melalui analisis data XPS sesudahnya.

a , c Aku DS -V GS kurva pada skala semilogaritmik dari WSe2 FET sebelum anil dan setelah anil pada 200 °C selama 1 jam. b , d Plot kontur I DS sebagai fungsi dari V GS dan V DS sebelum anil (panel atas) dan setelah anil pada 200 °C selama 1 jam (panel bawah)

Selanjutnya, kami mengukur karakteristik pertukaran foto WSe2 FET sebelum dan sesudah anil termal di lingkungan (Gbr. 3a, b). Karakteristik listrik FET ini ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar S3. Laser disinari ke WSe2 FET dan dimatikan ketika arus sumber-drain tampaknya menjadi jenuh. Perhatikan bahwa percobaan pertukaran foto dilakukan pada V . tetap GS =0 V, V DS =10 V, panjang gelombang laser 405 nm, dan kerapatan daya laser 11 mW/cm 2 . Gambar 3a, b masing-masing menunjukkan karakteristik photoswitching sebelum dan sesudah annealing di ambient. Dalam penelitian ini, konstanta waktu naik (τ naik ) didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan untuk arus foto (selisih antara arus yang diukur dalam gelap dan di bawah iradiasi, yaitu I ph =Aku irra Aku gelap ) berubah dari 10 menjadi 90% dari maksimum, dan waktu peluruhan (τ pembusukan ) adalah waktu saat arus foto berkurang menjadi 1/e dari nilai awalnya. Daerah ungu pada Gambar. 3a, b menunjukkan waktu di bawah iradiasi laser. Kami mengamati perubahan dramatis dalam waktu respons pertukaran foto WSe2 FET setelah anil termal. Keduanya τ naik dan τ pembusukan menurun dari 92,2 dan 57,6 detik masing-masing menjadi kurang dari 0,15 detik dan 0,33 detik (sesuai dengan penurunan masing-masing lebih dari 610 kali dan 170 kali). Perhatikan bahwa τ naik dan τ pembusukan setelah anil tidak dapat diukur secara tepat karena keterbatasan instrumen. Untuk memverifikasi bahwa perubahan waktu respons pemindahan foto disebabkan oleh efek oksidasi WSe2 lapisan, kami membandingkan perilaku photoswitching WSe2 FET sebelum dan sesudah anil termal dalam ruang hampa (~ 4.5 × 10 −4 Torr) pada 200 °C selama 1 jam (Gbr. 3c, d). Berlawanan dengan penurunan dramatis waktu respons pemindahan foto untuk FET yang dianil di lingkungan, perubahan τ yang relatif kecil naik (dari 148 hingga 131 detik) dan τ pembusukan (dari 166 hingga 102 detik) diamati untuk sampel yang dianil dalam ruang hampa. Hasil ini menandakan bahwa oksidasi WSe2 permukaan dengan anil di ambien adalah asal utama untuk respons photoswitching yang cepat. Alasan peningkatan perilaku photoswitching dengan anil di ambient adalah bahwa ketidakcocokan kisi antara WSe2 dan WO3 struktur menyediakan perangkap dan situs rekombinasi di celah pita WSe2 , yang dapat mempromosikan proses rekombinasi pembawa fotogenerasi.

Respons photoswitching dari ambipolar WSe2 FET a , c sebelum dan sesudah anil b di ambient pada 200 °C selama 1 jam dan d dalam ruang hampa, masing-masing. Semua data diukur pada V GS =0 V dan V DS =10 V

Selain itu, untuk penyelidikan lebih lanjut tentang asal usul karakteristik pengalihan foto yang tahan lama setelah mematikan laser, karakteristik pengalihan foto pada beberapa V GS diselidiki (Gbr. 4). Karakteristik listrik FET ini ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar S4. V . yang diterapkan GS =5 V, V GS =15 V, dan V GS =90 V sesuai dengan kisaran V GS > V n p , V GS ~ V n p , dan V GS V n p , masing-masing. Poin penting adalah bahwa tanggapan pertukaran foto sangat bergantung pada kisaran V GS apakah itu dianil atau tidak. Seiring menurunnya V GS dari 5 hingga 90 V dalam kasus sebelum anil, fotokonduktivitas tahan lama (ditandai sebagai lingkaran putus-putus pada Gambar. 4) menghilang pada V GS =15 V (Gbr. 4c) dan kemudian muncul kembali di V GS =90 V (Gbr. 4e). Ini V GS -karakteristik photoswitching yang bergantung terutama disebabkan oleh dinamika pembawa muatan yang berubah oleh V . yang diterapkan GS [31]. Tergantung pada V . yang diterapkan GS mempengaruhi lokasi tingkat Fermi (EF ), jumlah pembawa yang disuntikkan setelah mematikan iradiasi dapat ditentukan (File tambahan 1:Gambar S5) [31]. Kami mengusulkan diagram pita untuk menjelaskan kompleks ini V GS -bergantung pada karakteristik photoswitching secara rinci ketika iradiasi dihidupkan dan dimatikan (lihat bagian 4 di File tambahan 1).

a W dan b Se puncak dalam spektrum XPS WSe2 sebelum dan sesudah anil di ambien pada 250 ° C selama 1 jam dan 5 jam. c Skema perubahan struktural di WSe2 disebabkan oleh anil termal di ambien

Gambar 4a, b menunjukkan bahwa karakteristik pertukaran foto menjadi lebih baik pada V GS =5 V (V GS > V n p ) oleh anil termal, yang sesuai dengan hasil pada Gambar. 3. Perilaku ini juga dapat dijelaskan oleh proses rekombinasi yang dipromosikan di situs rekombinasi yang diinduksi antara WSe2 dan WO3 antarmuka. Hasil PL menunjukkan adanya situs rekombinasi non-radiatif di WO3 /WSe2 , yang akan dibahas kemudian. Di V GS =15 V (V GS ~ V n p ), kami tidak dapat mengamati perubahan yang jelas setelah anil termal karena karakteristik pemindahan foto yang sangat cepat (Gbr. 4c, d). Perilaku pertukaran foto yang cepat ini berasal dari lokasi EF di tengah-tengah WSe2 celah pita, yang menekan injeksi muatan tambahan setelah mematikan iradiasi (lihat bagian 4 di File tambahan 1 untuk detailnya). Untuk kasus V GS =90 V (Gbr. 4e, f), τ pembusukan dan τ panjang dipertahankan dan diperpendek, masing-masing, meskipun arus setelah anil jauh lebih tinggi daripada sebelum anil (lebih dari 20 kali). Yang penting, ada trade-off antara konstanta arus dan waktu peluruhan yang diinduksi foto dalam fototransistor, karena pembawa minoritas fotogenerasi yang terperangkap dapat menghasilkan medan listrik tambahan, sehingga menyebabkan peningkatan arus saluran dan menuntut injeksi muatan terus menerus bahkan setelah iradiasi. dimatikan [32, 33]. Dalam hal ini, pelestarian τ pembusukan dan disingkat τ panjang meskipun arus induksi foto meningkat secara signifikan menandakan peningkatan karakteristik photoswitching oleh anil di sekitar seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4e, f. Tentang τ naik , lokasi EF bergerak ke pita valensi dengan p-doping, yang menyebabkan netralitas non-muatan menjadi lebih kuat karena berkurangnya situs perangkap lubang tempat lubang yang dihasilkan foto dapat menempati (File tambahan 1:Gambar S6a). Karena netralitas non-muatan yang kuat, di bawah iradiasi, semakin banyak muatan yang disuntikkan untuk memenuhi netralitas muatan. Dan, pembawa fotogenerasi akan mengalami lebih banyak hamburan dengan pembawa bebas saat melewati saluran untuk berkontribusi pada arus foto, sehingga τ naik waktu bisa menjadi lebih lama. Untuk alasan itu, τ naik menjadi lebih panjang di V GS =90 V setelah anil termal seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4e, f (lihat bagian 4 di File tambahan 1 untuk lebih detail).

Gambar 5a, b menunjukkan analisis XPS untuk menyelidiki perubahan komposisi unsur WSe2 oleh anil termal di ambien. Meskipun anil pada 200 ° C selama 1 jam sudah cukup untuk mengubah karakteristik listrik dan photoswitching seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2 dan 3, suhu dan waktu anil ini tidak cukup untuk mengamati perubahan komposisi unsur WSe2 . Dengan demikian, WSe yang terkelupas secara mekanis2 serpih dianil pada 250 ° C selama 1 jam dan 5 jam di ambient untuk analisis XPS seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, b. Perlu dicatat bahwa intensitas dari dua puncak tungsten (diberi label sebagai W 6+ pada Gambar. 5a) pada energi ikat 35,5 eV dan 37,8 eV secara bertahap meningkat dengan meningkatnya waktu anil, sedangkan tidak ada perubahan yang diamati pada intensitas puncak selenium. Puncak tungsten W 6+ yang dihasilkan oleh thermal annealing menunjukkan terbentuknya WO3 karena reaksi WSe2 dengan oksigen di udara selama anil [20, 34]. Di sisi lain, pembentukan selenium oksida, seperti Se2 O3 , tidak terlihat (Gbr. 5b). Gambar 5c menunjukkan skema struktur mikroskopis sebelum dan sesudah WSe2 oksidasi dengan anil, dan digambarkan berdasarkan struktur geometris WSe2 . yang sebenarnya dan kubik WO3 (Panjang ikatan W-Se 2,53 , panjang ikatan Se-Se 3,34 , dan panjang ikatan W-O 1,93 ) [20, 35, 36]. Sejak WSe2 memiliki struktur heksagonal, sedangkan WO3 memiliki struktur kubik, WSe2 -WO3 struktur adalah heterojunction in-plane berlapis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c [20]. Oleh karena itu, asal mula perubahan sifat listrik setelah annealing di ambient (Gbr. 2a, b) dapat dijelaskan dengan pembentukan WO3 . WO yang terbentuk3 dapat berfungsi sebagai akseptor karena perbedaan fungsi kerja WSe2 (~ 4.4 eV) dan WO3 (~ 6.7 eV) yang meningkatkan I DS di negatif V GS wilayah (V GS V n p ) dan penurunan I DS dalam V positive yang positif GS wilayah (V GS > V n p ) [20, 37, 38]. Mirip dengan hasil kami, ada beberapa laporan bahwa WO3 lapisan yang disimpan atau disematkan di WSe2 sheet memperkenalkan p-doping ke dalam WSe2 FET [20,21,22].

a Spektrum Raman dari WSe2 setelah anil di ambien pada 200 °C selama 60 menit (garis hitam), pada 350 °C selama 60 menit (garis merah), dan pada 500 °C selama 5 menit (garis biru). Gambar inset sesuai dengan gambar optik sebelum dan sesudah anil di 500 °C, masing-masing. Bilah skala =15 m. b Gambar pemetaan Raman setelah anil pada 500 °C berintegrasi dengan pita pada 712 cm −1 dan 806 cm −1 , masing-masing. Bilah skala =10 m. c Celah pita optik WSe2 sebelum, setelah anil di ambien pada 250 ° C selama 30 menit, dan selama 60 menit. Gambar sisipan adalah gambar optik dari WSe monolayer2 serpihan (diberi label sebagai sampel 1) dengan bilah skala =10 m. d Intensitas PL maksimum dan gambar pemetaan PL yang sesuai dengan bilah skala 10 m

Kami melakukan eksperimen spektroskopi Raman dan PL untuk menyelidiki pengaruh optik oleh pembentukan WO3 . Gambar 6a menunjukkan spektrum Raman dari WSe2 setelah anil di ambient pada 200 ° C selama 60 menit (garis hitam), pada 350 ° C selama 60 menit (garis merah), dan pada 500 ° C selama 5 menit (garis biru). Munculnya puncak baru sekitar 712 cm −1 dan 806 cm −1 oleh anil pada 500 °C, yang sangat dekat dengan puncak Raman di WO3 (709 cm −1 dan 810 cm −1 ) [39], dukung pembentukan WO3 lapisan di WSe2 permukaan. Citra inset adalah citra optik sebelum dan sesudah annealing pada suhu 500 °C selama 5 menit. Gambar pemetaan Raman terintegrasi dengan pita 712 cm −1 dan 806 cm −1 pada Gambar 6b ​​menunjukkan WO seragam3 formasi di WSe2 permukaan.

a Spektrum Raman dari WSe2 setelah anil di ambien pada 200 °C selama 60 menit (garis hitam), pada 350 °C selama 60 menit (garis merah), dan pada 500 °C selama 5 menit (garis biru). Gambar inset sesuai dengan gambar optik sebelum dan sesudah anil di 500 °C, masing-masing. Bilah skala =15 m. b Gambar pemetaan Raman setelah anil pada 500 °C berintegrasi dengan pita pada 712 cm −1 dan 806 cm −1 , masing-masing. Bilah skala =10 m. c Celah pita optik WSe2 sebelum, setelah anil di ambien pada 250 ° C selama 30 menit, dan selama 60 menit. Gambar sisipan adalah gambar optik dari WSe monolayer2 serpihan (diberi label sebagai sampel 1) dengan bilah skala =10 m. d Intensitas PL maksimum dan gambar pemetaan PL yang sesuai dengan bilah skala 10 m

Analisis spektroskopi PL dilakukan untuk dua lapisan tunggal WSe2 serpih (diberi label sebagai sampel 1 dan sampel 2) seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6c. Sisipan Gambar 6c sesuai dengan citra optik sampel 1. Setiap WSe2 serpih dianil selama 30 menit dan 60 menit pada 250 ° C di ambien. Gambar pemetaan optik dan PL dari WSe monolayer lainnya2 serpihan (diberi label sebagai sampel 2) disediakan di File tambahan 1:Gambar S7. Saat waktu anil meningkat, celah pita optik WSe2 menjadi lebih luas. Celah pita optik diekstraksi dari energi foton dengan intensitas maksimum dalam spektrum PL karena itu sesuai dengan fluoresensi resonansi yang berasal dari celah pita. Sementara celah pita optik sampel 1 diukur sebagai ~ 1,60 eV sebelum anil sesuai dengan celah pita monolayer WSe2 [27], nilai celah pita berubah menjadi ~ 1,61 eV setelah anil selama 60 menit. Meskipun peningkatan (~ 10 meV) dari celah pita optik sedikit, fenomena ini dapat dijelaskan dengan pembentukan WSe2 -WO3 heterojungsi in-plane dan efek penyaringan dielektrik. Sejak WO3 memiliki celah pita yang lebih besar yaitu 2,75 eV dibandingkan dengan WSe2 (1,60 eV untuk lapisan tunggal) [40], celah pita optik dari lapisan tunggal WSe2 serpih meningkat melalui anil di ambien. Selanjutnya pembentukan WO3 di WSe2 dapat menghasilkan efek penyaringan dielektrik yang lebih kuat karena konstanta dielektrik WO yang lebih besar3 (~ 90) dibandingkan dengan WSe2 (~ 22) [41, 42]. Akibatnya, efek penyaringan dielektrik yang lebih kuat menyebabkan energi pengikatan eksiton berkurang dan sedikit meningkatkan celah pita optik selama anil termal [43].

Menariknya, dalam perspektif intensitas PL, jelas menurun seiring dengan bertambahnya waktu anil seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6d. Perilaku pendinginan PL dari monolayer WSe2 dapat dengan mudah diamati dalam gambar pemetaan PL yang mengintegrasikan intensitas PL di wilayah puncak, seiring dengan meningkatnya waktu anil (inset Gambar 6d). Fenomena serupa diamati di MoS2 diobati dengan plasma oksigen [44]. Hasil tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut. Sejak WO3 memiliki celah pita tidak langsung [40], struktur pita WSe2 mungkin sebagian diubah dengan celah pita tidak langsung, yang mengarah pada pengurangan intensitas PL. Selain itu, ketidakcocokan kisi antara WSe2 dan WO3 struktur menyediakan perangkap dan situs rekombinasi di celah pita WSe2 yang dapat memengaruhi karakteristik listrik dan optik WSe2 . Misalnya, ketidakteraturan, cacat, dan kekosongan belerang dapat menghasilkan lokasi perangkap yang dangkal atau dalam di MoS2 lapisan, sehingga menimbulkan proses rekombinasi [31, 45]. Oleh karena itu, dengan bertambahnya waktu anil, gangguan dan cacat yang berasal dari ketidakcocokan kisi WSe2 -WO3 struktur menyebabkan rekombinasi non-radiatif (Shockley-Read-Hall) [45], dan mengurangi intensitas PL. Secara kolektif, hasil eksperimen spektroskopi XPS, Raman, dan PL menunjukkan pembentukan WO3 di WSe2 permukaan oleh anil di ambien, dan itu sesuai dengan penelitian terbaru tentang oksidasi bahan 2D [20, 46]. Selain itu, dari analisis spektroskopi PL, didukung bahwa situs rekombinasi non-radiatif yang diinduksi oleh WO3 lapisan dapat berkontribusi pada karakteristik pertukaran foto yang ditingkatkan dengan mempromosikan proses rekombinasi.

Kesimpulan

Singkatnya, kami membuat ambipolar WSe2 FETs and studied the electrical properties and photoswitching responses before and after thermal annealing in ambient. We observed that the WSe2 FETs were successfully doped in the p-type manner and that the photoswitching responses became considerably faster after the ambient thermal annealing. The XPS, Raman, and PL studies demonstrated that the WO3 layer formed on the WSe2 surface can play the roles of a p-doping layer and non-radiative recombination sites to promote faster photoswitching behavior. This study provides a deeper understanding of effects on electrical and optoelectronic characteristics of ambipolar WSe2 FETs by the facile p-doping process via the thermal annealing in ambient.

Ketersediaan Data dan Materi

All data are fully available without restriction.

Singkatan

2D:

Two-dimensional;

AFM:

Mikroskop kekuatan atom

FET:

Field-effect transistor;

PL:

Photoluminescence;

TMDs:

Transition metal dichalcogenides;

XPS:

X-ray photoelectron spectroscopy;


bahan nano

  1. Karakteristik dan Aplikasi Titanium
  2. Transistor, efek medan sambungan (JFET)
  3. Transistor Efek Medan Persimpangan
  4. Pengaruh Iradiasi Ultraviolet Terhadap Karakteristik Dioda PiN 4H-SiC
  5. Sintesis dan Sifat Optik dari Nanocrystals dan Nanorods Selenium Kecil
  6. Transistor Efek Medan Nanoflake Multi-Lapisan dengan Kontak Au Ohmic Resistensi Rendah
  7. Karakteristik Interfacial, Electrical, dan Band Alignment Tumpukan HfO2/Ge dengan Interlayer SiO2 Terbentuk Secara In-Situ dengan Deposisi Lapisan Atom yang Ditingkatkan Plasma
  8. Karakteristik Optik dan Elektrikal Kawat Nano Silikon yang Disiapkan dengan Etsa Nirkabel
  9. Pengaruh Distribusi Nanopartikel Emas dalam TiO2 Terhadap Karakteristik Optik dan Elektrikal Sel Surya Peka Warna
  10. Pengaruh Perlakuan In-Situ Annealing pada Mobilitas dan Morfologi Transistor Efek Medan Organik Berbasis TIPS