Transistor Efek Medan SnSe2 dengan Rasio Nyala/Mati Tinggi dan Fotokonduktivitas Polaritas-Switchable

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a menunjukkan diagram skematik SnSe₂ perangkat FET. Kontak ditutupi oleh lapisan PMMA (tipe 950 A5) untuk mengisolasinya secara elektrik dari gerbang atas, yang terdiri dari setetes air DI yang diteteskan dari pipet. Perangkat dapat diberi gerbang oleh tegangan gerbang atas (V _tg ) diterapkan pada elektroda yang bersentuhan dengan tetesan air DI atau dengan tegangan gerbang belakang (V _bg ) diterapkan melalui SiO₂ mendukung. Gambar optik SnSe₂ serpih dengan elektroda berpola ditunjukkan pada Gambar. 1b. Kesenjangan sumber-penguras sekitar 2 μm. Spektroskopi Raman digunakan untuk mengkarakterisasi SnSe₂ bahan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1c. Puncak sidik jari pada 187 cm ⁻¹ dan 112 cm ⁻¹ sesuai dengan out-of-plane A _1g mode dan di dalam pesawat E _g mode, masing-masing, yang sesuai dengan laporan orang lain. Namun, sulit untuk menentukan ketebalan SnSe₂ dari posisi puncak Raman. Tidak seperti MoS₂ , karakteristik tergantung ketebalan posisi puncak Raman tidak jelas [24,25,26]. Jadi, kami mengadopsi mikroskop kekuatan atom (AFM) untuk mengukur ketebalan serpihan secara langsung. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1d, ketebalan SnSe₂ serpihan sekitar 34 nm.

Ilustrasi SnSe₂ perangkat phototransistor dan beberapa karakterisasi dasar tentang SnSe₂ mengelupas. a Ilustrasi skema dari SnSe₂ perangkat transistor efek medan. b Gambar optik dari SnSe₂ serpihan dengan S dan D yang masing-masing menunjukkan elektroda sumber dan saluran pembuangan yang diteliti. c Spektrum Raman dari SnSe₂ mengelupas. d Profil ketinggian yang diekstraksi dari garis putus-putus hitam (ditunjukkan pada Gambar 1b ) dalam pengukuran AFM

Kurva output perangkat FET di bawah tegangan gerbang belakang yang berbeda diukur dalam gelap ditunjukkan pada Gambar. 2a. Hubungan linier dan simetris dari I _d -V _ds menunjukkan kontak ohmik antara elektroda Ti/Au dan SnSe₂ saluran. Dari Gambar 2a, kami menemukan bahwa efek modulasi konduktivitas SnSe₂ oleh tegangan gerbang belakang sangat sedikit. Rasio I _d antara tegangan gerbang 30 dan 30 V hanya 1,15 pada V _ds sebesar 50 mV. Aku . saat ini _d di gerbang belakang tegangan 30 V sama besarnya dengan ~ 1.47 μA di V _ds sebesar 5 mV, yang tidak dapat dimatikan oleh tegangan gerbang belakang. Bahkan meningkatkan tegangan gerbang besar hingga 100 V masih tidak membawa saluran ke keadaan mati sebagai akibat penyaringan potensi gerbang oleh kepadatan pembawa ultratinggi di SnSe₂ , yang telah dilaporkan dalam karya Pan dan Su sebelumnya [12, 13]. Menurut teori semikonduktor, kita dapat membuat perkiraan kasar tentang lebar deplesi W dari struktur logam-isolator-semikonduktor (MIS), yang ditentukan oleh \( W={\left(\frac{2{\varepsilon}_r{\varepsilon}_0{\varphi}_s}{e{N}_D }\kanan)}^{1/2} \), di mana φ _s adalah potensial permukaan, N _D konsentrasi pengotor donor, dan ε ₀ dan ε _r vakum dan permitivitas relatif. Mengambil φ _s , ε _r , T _D dari 1 V, 9,97, dan 1 × 10 ¹⁸ /cm ³ ke dalam persamaan sebagai perhitungan konservatif, lebar deplesi W sekitar 22 nm, yang jauh lebih kecil dari ketebalan SnSe kami₂ serpihan (34 nm). Jadi, mudah untuk memahami tidak ada penipisan elektron oleh modulasi gerbang belakang.

Karakteristik keluaran dan transfer SnSe₂ FET diukur dalam gelap. Aku _d versus V _sd karakteristik SnSe₂ FET gated pada tegangan back gating yang berbeda V _bg (a ), pada tegangan gerbang atas yang berbeda V _tg dalam skala linier (b ), dan pada V . yang berbeda _tg dalam skala semi-log (c ). Aku _d versus V _tg karakteristik SnSe₂ FET dengan V _sd mulai dari 2 mV hingga 10 mV dalam langkah 2 mV yang digambar dalam skala semi-log, inset adalah plot skala linier I _d -V _tg karakteristik (d )

Sebaliknya, saat menggunakan air DI sebagai gerbang atas, I _d -V _ds kurva menunjukkan modulasi yang efisien bahkan dengan bias gerbang kecil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Rasio arus antara tegangan gerbang 0,4 V dan 0,8 V lebih dari 10 ³ , yang lebih jelas terlihat dari Gambar 2c yang digambar dalam skala semi-log. Kurva transfer tentang SnSe₂ FET dengan gerbang atas ditunjukkan pada Gambar. 2d, yang menunjukkan perilaku konduktif tipe-n yang khas. Tegangan memindai dari arah negatif ke arah positif dengan laju pemindaian 10 mV/s. Lapisan ganda listrik (EDL) dalam cairan ionik atau elektrolit padat memiliki kapasitansi tinggi dan dapat digunakan untuk mencapai kopling muatan yang sangat efisien dalam bahan 2D dan berlapis. Namun, proses transfer muatan yang lambat karena ukuran dan massa ion yang besar memerlukan laju pemindaian bias rendah untuk menjaga keseimbangan pada antarmuka saluran gerbang. Sebaliknya, saat menggunakan air DI sebagai lapisan dielektrik, baik H ⁺ dan OH ⁻ ion memiliki ukuran dan massa yang lebih kecil dan air memiliki viskositas yang rendah. Oleh karena itu, saluran air DI melalui lapisan ganda pada antarmuka air-semikonduktor mendukung laju penyapuan tegangan yang jauh lebih tinggi dan merespons lebih cepat daripada saluran cairan ionik atau saluran elektrolit padat. Inset adalah plot skala linier dari I _d -V _tg ciri. Khususnya, air DI sebagai gerbang atas sangat meningkatkan karakteristik transkonduktansi SnSe₂ FET. Sebagai V _tg bervariasi dari 0,8 hingga 0,4 V, I _d perubahan dari 9,5 × 10 ⁻¹¹ hingga 7,6 × 10 ⁻⁷ A dengan rasio arus hidup/mati 10 ⁴ . Ayunan subambang yang dihitung dari karakteristik transfer adalah 62 mV/dekade. Nilai-nilai ini cukup baik untuk operasi tegangan rendah yang praktis dari perangkat FET chalcogenide logam berlapis. Mobilitas μ dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:\( \mu =\frac{d{I}_d}{d{V}_g}\cdotp \frac{L}{W{C}_{H2O}{V}_{ sd}} \), di mana L dan A adalah panjang dan lebar saluran (L = 2 μm, A = 5 μm), masing-masing, dan C _H2O adalah kapasitansi pintu air DI per satuan luas. Di sini, kapasitansi C _H2O diukur menjadi 348 nF/cm ² , yang rincian perhitungannya terlampir dalam bahan pelengkap (Berkas tambahan 1:Gambar S1a dan b). Mobilitas elektron yang diperoleh adalah 127 cm ² /Vs, yang cukup bagus dibandingkan dengan material 2D berlapis sedikit lainnya. Efek modulasi yang ditingkatkan secara substansial diwujudkan oleh gerbang atas dengan air DI sebagai lapisan dielektrik yang pernah dilaporkan dalam karya Huang [27]. Mereka menerapkan gerbang air DI di SnS₂ , MoS₂ , dan BP mengelupas dan mencapai rasio hidup/mati yang tinggi, ayunan subthreshold yang ideal, dan mobilitas yang sangat baik. Mereka menghubungkan peningkatan ini dengan sempurna melindungi serpihan dari adsorbat sekitar dan pasif dari status antarmuka oleh k tinggi dielektrik (ε _{r (H2O)} = 80). Efek pasivasi dan penyaringan yang diberikan oleh air DI mirip dengan bahan dielektrik tinggi konvensional lainnya, seperti HfO₂ atau Al₂ O₃ [18, 19]. Selain itu, sambungan efektif antara air DI dan SnSe₂ melalui tepi serpihan tampaknya memainkan peran penting dalam mencapai rasio hidup/mati yang tinggi bahkan untuk serpihan tebal. Dibandingkan dengan SiO₂ back gating, DI water gating dapat secara efektif mengurangi jarak medan listrik (dari beberapa 100 nm menjadi kurang dari 1 nm), sehingga tegangan gerbang ambang juga menurun dari beberapa puluh volt menjadi kurang dari 1 V. Dari gambar inset Gambar. 2d, arus kecil melompat sekitar V _tg = 0.4 V mungkin disebabkan oleh elektrolisis air DI karena jendela elektrokimianya yang sempit, yang telah dilaporkan dalam karya Huang [27].

Respons fotolistrik bergantung waktu dari SnSe₂ FET dikendalikan oleh back atau top gating ditunjukkan pada Gambar. 3. Menariknya, SnSe₂ FET menunjukkan arus foto positif pada gerbang negatif dan arus foto negatif pada gerbang positif terlepas dari gerbang dari gerbang belakang melalui SiO₂ atau dari gerbang atas melalui air DI. Dari Gambar 3a, kita dapat melihat besarnya arus foto meningkat dengan meningkatnya tegangan gerbang belakang negatif. Ketika tegangan gerbang belakang adalah 80 V, fotokonduktivitas relatif (didefinisikan sebagai Δσ/σ ₀ , di mana σ ₀ adalah konduktivitas gelap dan Δσ adalah perbedaan antara σ dan σ ₀ ) adalah 5%. Saat menggunakan air DI sebagai gerbang atas, kita mendapatkan hukum yang sama seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Dengan pengaturan tegangan gerbang atas sebagai 0,4 V, fotokonduktivitas relatif bisa mencapai 6%. Namun, mudah untuk melihat bahwa waktu respons antara kedua jenis gerbang tersebut sangat berbeda. Untuk back gating dengan SiO₂ sebagai dielektrik, waktu respons untuk tepi naik adalah sekitar 30 s. Sedangkan untuk top gating dengan DI air sebagai dielektrik, response time hanya 1.7 s. Di sini, waktu naik 10-90% (atau waktu jatuh 10-90%) didefinisikan sebagai waktu respons. Kecepatan respons yang jauh lebih cepat dengan saluran air DI harus dikaitkan dengan mobilitas pembawa yang lebih tinggi (127 cm ² /Vs) karena penyaringan pengotor atau hamburan adsorbat yang efektif. Menariknya, ketika tegangan gerbang positif, SnSe₂ film menunjukkan fotokonduktivitas negatif (NPC) seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c dan d. Harus ditekankan bahwa fotokonduktivitas bipolar yang bergantung pada gerbang tidak diinduksi oleh arus bocor antara gerbang dan sumber. Kami mengukur arus bocor I _g ketika menerapkan bias gerbang positif atau negatif, seperti yang ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar S2. Tanda Aku _g mengikuti arah V _gs dan persis berlawanan dengan tanda arus foto saluran-ke-sumber (I _d ). Selain itu, besarnya I _g jauh lebih kecil dari I _d , sehingga pengaruhnya dapat diabaikan. Di NPC SnSe₂ FET dengan H₂ O sebagai dielektrik, ada dua fitur yang berbeda dari fotokonduktivitas positif (PPC). Salah satunya adalah nilai absolut dari gerbang fotokonduktivitas relatif pada V positive positif _tg (~ 20%) jauh lebih besar daripada gerbang di V negative negatif _tg (6%). Yang lainnya adalah SnSe₂ FET menunjukkan waktu respons yang lebih lama (~ 30 s) pada V . positif _tg dari pada negatif V _tg (1,7 detik).

Ketergantungan waktu dari respons foto SnSe₂ FET bias pada V _sd = 5 mV bila diterapkan pada tegangan gerbang belakang negatif yang berbeda V _bg (a ), tegangan gerbang atas negatif V _tg (b ), tegangan gerbang balik positif V _bg (c ), dan tegangan gerbang atas positif V _tg (d )

Fenomena fotokonduktivitas negatif (NPC) telah dilaporkan di beberapa struktur nano semikonduktor, seperti karbon nanotube, kawat nano InAs, dan kawat nano ZnSe [28,29,30]. Adsorpsi molekul oksigen dan foto-desorpsi biasanya dianggap bertanggung jawab atas efek NPC. Namun, penjelasan seperti itu tidak berlaku untuk SnSe₂ kami sistem, karena desorpsi oksigen hanya akan menyebabkan konsentrasi dan konduktivitas elektron yang lebih tinggi. Untuk memahami efek NPC dan koeksistensi NPC dan PPC di SnSe₂ , kami mengukur I _d -V _tg kurva SnSe₂ FET di bawah penerangan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Untuk perbandingan yang jelas, kurva transfer dalam gelap juga ditambahkan. Kita dapat melihat perangkat menunjukkan fotokonduktivitas bipolar, yang dapat diaktifkan oleh tegangan gerbang. Kurva transfer diukur di bawah iluminasi dan dalam gelap berpotongan hampir pada tegangan gerbang 0 V. Oleh karena itu, perangkat menunjukkan fotokonduktivitas positif pada bias gerbang minus dan fotokonduktivitas negatif pada bias gerbang plus, yang sesuai dengan hasil ditunjukkan pada Gambar. 3. Seperti diketahui, konduktivitas σ ditentukan sebagai σ = neμ , di mana n , e , dan μ adalah konsentrasi pembawa, muatan elektron, dan mobilitas, masing-masing. Jadi, konduktivitas ditentukan oleh produk dari konsentrasi pembawa dan mobilitas. Dalam kurva transfer di bawah cahaya, perubahan transkonduktansi g _m melintasi tegangan gerbang nol menyiratkan perubahan mobilitas. Dari kurva transfer, mobilitas iluminasi dan gelap dapat dihitung seperti terlihat pada Tabel 1 dan 2. Mobilitas SnSe₂ dalam gelap sekitar 70 cm ² /Vs, sedangkan mobilitas di bawah penerangan memiliki dua nilai:sekitar 60 cm ² /Vs pada bias gerbang minus dan ~ 4 cm ² /Vs pada bias gerbang plus. Di negatif V _tg , mobilitas keadaan terang dan gelap hampir sama, sedangkan konsentrasi pembawa di bawah eksitasi terang lebih besar daripada keadaan gelap. Jadi, perangkat menunjukkan fotokonduktivitas positif. Pada positif V _tg , mobilitas lebih dari satu orde lebih kecil dari pada kasus V negative negatif _tg , dan penurunan mobilitas melebihi peningkatan konsentrasi pembawa dan mendominasi evolusi fotokonduktivitas. Dengan demikian, fotokonduktivitas negatif bersih terjadi menggantikan fotokonduktivitas positif.

Aku _d -V _tg karakteristik SnSe₂ FET di bawah penerangan dan dalam gelap

Pai-Chun Wei dkk. menemukan efek NPC dalam celah pita kecil dan film InN yang merosot dan menganggapnya sebagai depresi mobilitas yang disebabkan oleh hamburan parah dari pusat rekombinasi bermuatan [31], yang dapat diterapkan pada SnSe₂ kami sistem. Tetapi mengapa mobilitas menurun ketika bias gating memindai dari tegangan negatif ke positif tidak jelas. Kami percaya fenomena ini berasal dari beberapa negara di celah. Status in-gap dapat disebabkan oleh beberapa cacat titik, seperti kekosongan Se. Di bawah iluminasi, status di celah di bawah E _f akan menjebak beberapa lubang fotogenerasi dan menjadi pusat hamburan bermuatan positif. Dengan V _tg memindai dari bias negatif ke positif, lebih banyak status celah turun di bawah E _f menjadi pusat hamburan bermuatan, yang menyebabkan penurunan mobilitas. Pekerjaan lebih lanjut diperlukan untuk memahami sepenuhnya mekanisme NPC.