Konversi Transistor MoTe2 Berlapis-Lapis Antara Tipe-P dan Tipe-N dan Penggunaannya dalam Inverter

Hasil dan Diskusi

Berbeda dari MoTe berlapis-lapis yang dilaporkan sebelumnya₂ transistor, diagram perangkat kami ditunjukkan pada Gambar. 1a. Kami pertama-tama membuat elektroda source-drain (SD) yang terdiri dari film Cr/Au pada SiO₂ /p ⁺ -Si substrat. Kemudian, salah satu MoTe berlapis-lapis₂ sampel disiapkan pada SiO lain₂ / p ⁺ Substrat -Si ditransfer untuk menjembatani elektroda source-drain sebagai saluran transistor. MoTe₂ sampel yang dibuat dengan metode ini bersih dan bebas dari kontaminasi polimer dalam fabrikasi perangkat. Selain itu, seluruh MoTe₂ sampel terpapar di udara, termasuk saluran dan bagian kontak, sehingga lebih mudah untuk menghilangkan absorbat dan mendapatkan konduktansi intrinsik MoTe berlapis-lapis₂ transistor. Gambar optik dari MoTe berlapis-lapis yang dibuat₂ transistor ditunjukkan pada Gambar. 1b, dengan panjang saluran 10 μm. MoTe₂ saluran dicirikan oleh mikroskop gaya atom (AFM) (lihat Gambar 1c). Profil ketinggian (lihat Gbr. 1d) yang diperoleh dari tanda pada gambar AFM menunjukkan bahwa ketebalan MoTe₂ sampel berukuran sekitar 17 nm (terdiri dari 24 monolayer MoTe₂ ) [40]. Mode Raman-aktif karakteristik A_1g (172 cm ⁻¹ ), E ¹ _2g (233 cm ⁻¹ ), dan B ¹ _2g (289 cm ⁻¹ ) diamati dengan jelas seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1e, yang menunjukkan kualitas 2H-MoTe₂ yang baik. setelah proses transfer [41].

MoTe berlapis-lapis₂ transistor dan sifat-sifatnya. a Ilustrasi MoTe₂ diagram transistor. b Gambar optik dari salah satu transistor fabrikasi yang terdiri dari MoTe berlapis-lapis₂ saluran dan elektroda SD Cr/Au. c Gambar AFM dari saluran transistor di b . d Profil tinggi MoTe berlapis-lapis₂ . e Spektrum Raman dari MoTe berlapis-lapis₂ di saluran transistor

MoTe multi-lapisan back-gated yang dibuat₂ transistor diukur menggunakan penganalisis semikonduktor Agilent B1500A di stasiun probe Lakeshore, yang dapat dipompa ke tekanan dasar 1 × 10 ⁻⁵ mbar dan realisasikan penyesuaian suhu 9~350 K. Gambar 2 menunjukkan sifat listrik MoTe berlapis-lapis₂ transistor di udara pada suhu kamar (RT). Karakteristik transfer pada tegangan source-drain V _sd = 1 V pada Gambar. 2a menunjukkan bahwa transistor dalam keadaan hidup pada tegangan saluran negatif dan dalam keadaan tidak aktif pada tegangan saluran positif. Tegangan transformasi dari on-state ke off-state hampir nol, yang merupakan karakteristik transistor tipe-p yang khas. Pengukuran berulang menunjukkan karakteristik gerbang listrik yang sama (lihat File tambahan 1:Gambar S1). Empat MoTe berlapis-lapis lainnya₂ transistor juga menunjukkan karakteristik gerbang listrik tipe-p yang serupa seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S2. Kami juga menyiapkan perangkat lain dengan ketebalan 5 nm, 38 nm, dan 85 nm seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S3. Saat MoTe₂ ketebalan 5 nm dan 38 nm, kedua perangkat yang disiapkan menunjukkan konduktansi tipe-p tetapi dengan arus aktif yang kecil dibandingkan dengan perangkat pada Gambar. 2 dan File tambahan 1:Gambar S2. Saat ketebalan meningkat menjadi 85 nm, efek gating menghilang seperti yang ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar S3 (l). Data ini menunjukkan bahwa konduktansi tipe-p bersifat universal di udara untuk MoTe berlapis-lapis₂ transistor. Dari karakteristik transfer pada Gbr. 2a, kita dapat memperoleh rasio on-off, ayunan subthreshold (SS), dan mobilitas efek medan (μ), yaitu 6 × 10 ³ , 350 mV/des, dan 8 cm ² /V·s, masing-masing.

Sifat listrik MoTe berlapis-lapis₂ transistor di udara di RT. a Karakteristik transfer MoTe₂ transistor di V _sd = 1 V di udara. b Karakteristik keluaran MoTe₂ transistor di V _bg = − 20 V, 15 V, 10 V, 5 V, 0 V, dan 5 V. c Karakteristik transfer MoTe₂ transistor pada V . yang berbeda _sd . d Rasio arus on-current, off-current, dan on-off sebagai fungsi V _sd

Gambar 2b menunjukkan karakteristik keluaran MoTe berlapis-lapis₂ transistor pada tegangan gerbang belakang V _bg = − 20 V, 15 V, 10 V, 5 V, 0 V, dan 5 V. Seperti yang terlihat, respons pada dasarnya linier, terutama pada tegangan bias rendah V _sd , yang menunjukkan bahwa ketinggian penghalang Schottky efektif dapat diabaikan (Φ _SB ) antara Au dan MoTe₂ di udara. Karakteristik transfer pada tegangan bias source-drain yang berbeda seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c menunjukkan bahwa arus aktif meningkat secara linier dengan tegangan bias V _sd , ditunjukkan pada Gambar. 2d, yang bertepatan dengan karakteristik keluaran. Sementara itu, off-current meningkat dan rasio on-off menurun sebagai V _sd meningkat. Ini dapat dikaitkan dengan status jebakan di MoTe₂ saluran dari absorbat dan keadaan antarmuka. Histeresis dalam karakteristik transfer (lihat File tambahan 1:Gambar S4) lebih lanjut menegaskan keberadaan status jebakan di MoTe₂ transistor [42,43,44,45].

Kami menyelidiki lebih lanjut konduktansi tipe-p dari MoTe berlapis-lapis₂ transistor pada vakum yang berbeda. Ini berguna untuk memahami pengaruh oksigen dan air yang diserap pada sifat transpor muatan. Gambar 3a menunjukkan karakteristik transfer di V _sd = 1 V sebagai fungsi vakum (“atm” sesuai dengan atmosfer). Kecenderungan perubahan utama jelas ditunjukkan oleh panah merah, yang mirip dengan yang ditunjukkan pada transistor nanotube karbon [44]. Pertama, arus aktif menurun seiring dengan peningkatan vakum, yang sebagian disebabkan oleh pergeseran tegangan ambang yang disebabkan oleh absorbat tetapi terutama karena resistansi perangkat meningkat seiring dengan penurunan absorbat, termasuk resistansi saluran dan kontak. Karakteristik keluaran nonlinier seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b menunjukkan peningkatan penghalang Schottky efektif antara Au dan MoTe₂ dalam 2,9 × 10 ⁻⁵ vakum mbar, yang menunjukkan bahwa ketinggian penghalang Schottky yang efektif dimodifikasi oleh absorbat di udara. Kedua, arus lepas pada gerbang tegangan positif meningkat dengan vakum, yang berarti bahwa konduktansi elektron meningkat seiring dengan penurunan absorbat dan menunjukkan bahwa konduktansi tipe-n ditekan dalam MoTe berlapis-lapis₂ transistor dengan menyerap di udara.

Sifat listrik tipe-P dari MoTe berlapis-lapis₂ transistor dalam vakum. a Karakteristik transfer RT dari MoTe tipe-p₂ transistor di V _sd = 1 V sebagai fungsi vakum. b Karakteristik keluaran RT dari MoTe tipe-p₂ transistor pada V . yang berbeda _bg dalam 2,9 × 10 ⁻⁵ vakum mbar

Meskipun arus aktif menurun dan arus tidak aktif setelah menghilangkan sebagian absorbat dalam vakum, MoTe berlapis-lapis₂ transistor masih menunjukkan konduktansi tipe-p. Selanjutnya, konduktansi tipe-p dipertahankan pada suhu rendah seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Properti listrik yang bergantung pada suhu ini membantu kami untuk lebih menjelaskan mekanisme transportasi muatan dan mengekstrak ketinggian penghalang Schottky yang efektif dari MoTe tipe-p₂ transistor. Gambar 4a memberikan karakteristik transfer pada tegangan bias V _sd = 1 V saat suhu bervariasi dari 20 hingga 275 K. Baik arus aktif maupun tidak aktif menurun seiring penurunan suhu, dan rasio hidup-mati meningkat pada suhu rendah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b. Plot Arrhenius dari arus sumber-penguras I _sd pada tegangan gerbang belakang V _sd = − 20 V dan 20 V pada Gambar. 4c menunjukkan emisi termal dan kontribusi tunneling untuk transportasi muatan [46]. Saat suhu lebih tinggi dari 100 K, wilayah emisi termal yang jelas diamati baik pada tegangan gerbang negatif maupun positif, dan arus tunneling mendominasi saat suhu di bawah 100 K. Itulah sebabnya arus aktif dan arus tidak aktif menurun saat suhu menurun . Berdasarkan pengamatan arus emisi termal dan hubungan \( {I}_{\mathrm{sd}}\sim {e}^{-{q\varPhi}_{SB}/ kT\operatorname{}} \) , di mana k adalah konstanta Boltzmann dan T adalah suhu, kami mengekstrak ketinggian penghalang Schottky yang efektif Φ _SB sebagai fungsi dari tegangan gerbang di V _sd = 1 V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d. Ketinggian penghalang Schottky yang efektif Φ _SB dalam keadaan aktif dan tidak aktif lebih kecil dari 120 mV.

Sifat listrik yang bergantung pada suhu dari MoTe berlapis-lapis tipe-p₂ transistor. a Karakteristik transfer MoTe₂ transistor di V _sd = 1 V sebagai fungsi suhu. b Rasio arus on-current, off-current, dan on-off sebagai fungsi suhu. c Plot Arrhenius dari arus sumber-penguras sebagai fungsi suhu pada V _sd = 1 V dan V _bg = − 20 V dan 20 V, masing-masing. d Peta ketinggian penghalang Schottky yang efektif Φ _SB sebagai fungsi dari tegangan gerbang belakang

Vakum dan suhu rendah membuat sulit untuk menyerap absorbat sepenuhnya. Absorbat residu masih bekerja dan mengubah konduktansi MoTe berlapis-lapis₂ transistor. Untuk lebih mendesorbsi absorbat pada MoTe₂ transistor, kami memanaskan perangkat hingga 350 K dalam vakum dan melakukan pengukuran properti listrik di lokasi. Gambar 5a menunjukkan karakteristik transfer MoTe₂ transistor saat dipanaskan dari 250 hingga 350 K. Seperti yang terlihat, konduktansi elektron pada tegangan gerbang positif meningkat, sedangkan konduktansi lubang pada tegangan gerbang negatif berkurang dengan meningkatnya suhu. Pada suhu T = 250 K, perangkat menunjukkan konduktansi tipe-p tipikal. Tapi saat suhu meningkat menjadi T = 350 K, perangkat dikonversi ke tipe-n, yang dalam keadaan mati pada tegangan gerbang negatif dan dalam keadaan hidup pada tegangan gerbang positif. Rasio on-off, ayunan subthreshold (SS), dan mobilitas efek medan (μ) adalah 3,8 × 10 ² , 1,1 V/des, dan 2 cm ² /V·s, masing-masing.

Karakteristik transfer MoTe berlapis-lapis₂ transistor sebagai fungsi suhu dalam ruang hampa

Konduktansi tipe-n dari MoTe₂ transistor stabil dalam vakum. Perangkat disimpan di stasiun penyelidikan di 2 × 10 ⁻⁵ vakum mbar di RT selama 12 jam setelah pemanasan. Kemudian dilakukan pengukuran sifat listrik. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, karakteristik transfer masih dalam keadaan tidak aktif pada tegangan gerbang negatif dan dalam keadaan aktif pada tegangan gerbang positif, menunjukkan sifat transistor tipe-n yang khas. Transformasi serupa diwujudkan dalam dua sampel lainnya seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S5 (a) dan (b). Selanjutnya, kami menganil dua sampel pada 523 K menggunakan sistem deposisi uap kimia suhu tinggi selama 2 jam dalam gas Ar pada vakum 3 mbar. Keduanya berubah dari tipe-p ke tipe-n seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S5 (c) dan (d). Gambar 6b menunjukkan karakteristik output dari MoTe tipe-n₂ transistor pada tegangan gerbang belakang yang berbeda, yang jelas nonlinier, terutama pada tegangan bias rendah V _sd , berbeda dari pada Gambar. 3b, yang menunjukkan adanya peningkatan ketinggian penghalang Schottky efektif antara MoTe₂ dan elektroda Au setelah dipanaskan untuk menghilangkan absorbat. Gambar 6c menunjukkan karakteristik transfer yang bergantung pada suhu dari MoTe multi-lapisan tipe-n₂ transistor. Seperti yang terlihat, ketika suhu menurun dari 275 ke 25 K, arus hidup dan mati keduanya menurun seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6c, d. Plot Arrhenius dari arus sumber-penguras I _sd pada Gambar. 6e menunjukkan bahwa emisi termal dan arus tunneling masih merupakan mekanisme transportasi muatan utama di MoTe multi-lapisan tipe-n₂ transistor. Tinggi penghalang Schottky efektif yang diperoleh lebih kecil dari 250 meV. Mempertimbangkan fungsi kerja Au (5.2 eV) dan MoTe₂ (4.1 eV), ketinggian penghalang Schottky efektif untuk elektron setinggi 1,1 eV dalam kondisi ideal. Perbedaannya mungkin dari efek penyematan level Fermi pada material 2D [47].

MoTe berlapis-lapis tipe-N₂ sifat transistor dalam vakum. a Karakteristik transfer RT dari MoTe₂ transistor di V _sd = 1 V. b Karakteristik keluaran RT dari MoTe₂ transistor pada tegangan back-gate yang berbeda. c Karakteristik transfer MoTe₂ transistor sebagai fungsi temperatur. d Rasio arus on-current, off-current, dan on-off MoTe₂ transistor sebagai fungsi temperatur. e Plot Arrhenius dari I _sd di V _sd = 1 V dan V _bg = − 20 V dan 20 V, masing-masing. f Peta ketinggian penghalang Schottky yang efektif Φ _SB sebagai fungsi dari V _bg

Kami juga menemukan bahwa MoTe multi-lapisan tipe-n₂ transistor kembali ke tipe-p saat terkena udara (lihat File tambahan 1:Gambar S6). Berdasarkan data eksperimen di atas, kami menyimpulkan bahwa konduktansi tipe-n adalah properti intrinsik untuk MoTe berlapis-lapis₂ transistor. Konduktansi tipe-N dapat dikaitkan dengan lowongan Te di MoTe₂ saluran. Hal ini dikonfirmasi oleh perhitungan DFT seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7. Gambar 7a menunjukkan ilustrasi diagram kekosongan Te di monolayer (ML) MoTe₂ , dan Gbr. 7b menunjukkan kepadatan status (DOS) yang sesuai. Dibandingkan dengan DOS MoTe₂ dengan struktur kristal yang sempurna, kekosongan Te menginduksi keadaan cacat di dekat tepi pita konduksi. Oleh karena itu, MoTe₂ transistor dengan kekosongan Te menunjukkan konduktansi tipe-n.

Lowongan di MoTe₂ . a 4 × 4 ML MoTe₂ supercell dalam fase ideal dan dengan kekosongan Te. Situs lowongan ditandai dengan warna kuning. b Kerapatan parsial status (PDOS) situs Mo yang berdekatan dengan lowongan Te dan situs Te terdekat dengan lowongan Te di ML MoTe₂ (merah solid), dibandingkan dengan PDOS dalam ML ideal (hitam putus-putus)

Saat perangkat terkena udara, oksigen dan air di udara diserap pada perangkat. Telah diverifikasi bahwa penyerap oksigen dan air dapat menginduksi doping tipe-p dalam transistor organik dan transistor bahan lapisan yang berhubungan dengan graphene [44, 48, 49]. Ia bekerja dengan pasangan redoks oksigen / air, di mana oksigen terlarut dalam air mengatur kondisi untuk reaksi redoks. Proses ini akan menginduksi transfer muatan antara pasangan redoks oksigen/air dan MoTe₂ . Arah transfer muatan tergantung pada perbedaan fungsi kerja (atau potensial kimia). Fungsi kerja MoTe₂ adalah 4,1 eV, sedangkan pasangan redoks oksigen/air lebih besar dari 4,83 eV [48]. Gambar 8 mengilustrasikan diagram energi pasangan redoks air/oksigen dan MoTe₂ . Karena perbedaan tingkat energi, elektron disuntikkan dari MoTe₂ ke pasangan redoks oksigen/air, menghasilkan doping lubang MoTe₂ di udara.

Diagram energi pasangan redoks air/oksigen (kiri) dan MoTe₂ (Baik); panah merah menunjukkan arah transfer elektron

Menggunakan MoTe tipe-p dan tipe-n₂ transistor, kami mengeksplorasi konstruksi inverter komplementer seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 9a. Tegangan suplai V _DD diterapkan ke sumber (atau saluran) transistor tipe-p, sedangkan sumber (atau saluran) transistor tipe-n di-ground. Inverter diukur dalam 8 × 10 ⁻⁵ vakum mbar di stasiun probe. Gambar 9b, c masing-masing menunjukkan karakteristik transfer transistor tipe-p dan tipe-n dari inverter. Gambar 9d menunjukkan kurva karakteristik transfer tegangan (VTC) inverter saat V _DD bervariasi dalam kisaran 1 hingga 5 V. Tegangan transisi terletak sangat dekat dengan V _DD /2, yang dapat dikaitkan dengan simetri antara MoTe tipe-n dan p₂ transistor. Gambar 9e menunjukkan kurva VTC (garis hitam) dan cerminnya (garis merah) di V _DD = 5 V. Area “mata” yang diarsir mewakili margin kebisingan inverter. Seperti yang terlihat, margin kebisingan tingkat rendah (NM_L ) dan margin kebisingan tingkat tinggi (NM_H ) masing-masing adalah 1,54 V dan 1,77 V pada V _DD = 5 V. Gambar 9f menunjukkan V _IN -penguatan tegangan yang bergantung pada inverter pada V _DD = 2 V, 3 V, 4 V, dan 5 V yang meningkat dengan V _DD dan mencapai 9 di V _DD = 5 V.

Properti inverter komplementer berdasarkan MoTe berlapis-lapis tipe-p dan tipe-n₂ transistor dalam 8 × 10 ⁻⁵ vakum. a Diagram inverter terdiri dari MoTe tipe-p dan tipe-n₂ transistor. Karakteristik transfer tipe-p (b ) dan tipe-n (c ) MoTe₂ transistor dari inverter. d Kurva VTC dari inverter untuk V _DD nilai bervariasi dari 1 hingga 5 V. e Kurva VTC (garis hitam) dan cerminnya (garis merah) di V _DD = 5 V. f V _IN -penguatan tegangan yang bergantung pada inverter pada V _DD = 2 V, 3 V, 4 V, dan 5 V