Das Nicht

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 12085 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die elektrischen und optischen Eigenschaften von Übergangsmetalldichalkogeniden (TMDs) können durch Einstellen ihrer Fermi-Niveaus effektiv moduliert werden. Um ein trägerwählbares optoelektronisches Bauelement zu entwickeln, untersuchten wir MoTe2 vom intrinsischen p-Typ, das durch Aufladen eines hexagonalen Bornitridsubstrats (h-BN) durch Anlegen einer Schreibspannung unter Verwendung eines Metallgates in den n-Typ umgewandelt werden kann ultraviolettes Licht. Der n-Typ-Teil von MoTe2 kann lokal mithilfe des Metall-Gate-Musters erhalten werden, während die anderen Teile p-Typ bleiben. Darüber hinaus können wir die Übergangsrate zum n-Typ steuern, indem wir eine andere Schreibspannung (dh – 2 bis – 10 V) anlegen, wobei die n-Typ-Eigenschaften ab einer bestimmten Schreibspannung gesättigt werden. Somit wurde MoTe2 durch ein geladenes h-BN-Substrat elektrostatisch dotiert, und es wurde festgestellt, dass ein dickeres h-BN-Substrat effizienter photogeladen wurde als ein dünneres. Wir stellten auch eine ap-n-Diode unter Verwendung einer 0,8 nm dicken MoTe2-Flocke auf einem 167 nm dicken h-BN-Substrat her, die ein hohes Gleichrichtungsverhältnis von ~ 10−4 aufwies. Unsere Beobachtungen ebnen den Weg für die Ausweitung der Anwendung von TMD-basierten FETs auf Diodengleichrichtergeräte sowie auf optoelektronische Anwendungen.

Graphen, das aufgrund seiner hohen Elektronenmobilität, Flexibilität, Wärmeleitfähigkeit, großen Oberfläche und Undurchlässigkeit für Gase eines der interessantesten zweidimensionalen (2D) Materialien für elektronische Anwendungen ist, wurde in den letzten zwei Jahrzehnten eingehend untersucht1,2 ,3,4,5,6,7,8. Trotz seiner vielen Vorteile für die Verwendung in elektronischen Materialien ist die Anwendung von Graphen für Schaltgeräte aufgrund seiner lückenlosen Natur im ursprünglichen Zustand eingeschränkt9. Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs), bei denen es sich um 2D-Halbleitermaterialien handelt, weisen jedoch ein breites Spektrum an Dotierungen und Bandstrukturdynamiken auf, sodass sie in einem breiten Spektrum der Optoelektronik und Nanoelektronik eingesetzt werden können10,11,12,13. TMDs bestehen aus Atomschichten, die durch Van-der-Waals-Kräfte14 miteinander verbunden sind, und verfügen über gute elektronische Transportkanäle mit minimalen Streuzentren, da sie keine kovalenten Bindungen zwischen den Schichten15,16 besitzen. Daher machen die Bandlücke und die atomar dünne Schichtstruktur von 2D-TMDs sie zu einem brauchbaren Material für den aktiven Kanal von Feldeffekttransistoranwendungen, wie etwa ultraschnelle Fotodetektoren17, Elektro- und Fotokatalyse, Superkondensatoren18, Biosensoren, Energiespeichergeräte, und Speichergeräte, unter anderem 19,20,21,22,23.

Im Zusammenhang mit TMDs für den Einsatz in elektronischen Materialanwendungen hat MoTe2 aufgrund seiner faszinierenden halbleitenden, metallischen und supraleitenden Eigenschaften großes Interesse geweckt24,25,26,27. Die direkte Bandlücke von MoTe2 variiert je nach Gitterkonfiguration und Anzahl der Schichten zwischen 0,88 und 1,1 eV28,29,30. Da die Bandlücke von MoTe2 deutlich kleiner ist als die von MoS231,32 und WSe233,34, ist MoTe2 außerdem ein guter Kandidat für optoelektronische Geräte, die eine Reaktion bieten, die den Wellenlängenbereich im nahen Infrarot abdeckt35. Darüber hinaus ist das Fermi-Level-Pinning an der MoTe2-Metall-Grenzfläche im Vergleich zu schwefelterminierten TMDs deutlich schwächer36. Trotz der schmalen Energiebandlücke dieses Materials wurden zahlreiche Methoden zur Bandmodulation und Steuerung der Ladungsträgerpolarität beschrieben37,38. Andererseits hat hexagonales Bornitrid (h-BN), ein isolierendes 2D-Material, aufgrund seiner mechanischen Robustheit, seiner außergewöhnlichen Wärmeleitfähigkeit aufgrund seiner starken kovalenten BN-Bindungen und seines Donor/Akzeptor-ähnlichen Defekts in letzter Zeit wachsendes Interesse auf sich gezogen Staaten, die den Dopingmechanismus kontrollieren39,40.

Daher ist es wichtig, eine effiziente Dotierungsmethode für 2D-TMDs zu entwickeln, um deren Anwendung in halbleitenden elektronischen Anwendungen zu fördern. In diesem Zusammenhang kann die Dotierung von MoTe2 in zwei Arten eingeteilt werden. Die erste Methode nutzt lokales elektrostatisches Gating, das erfolgreich eingesetzt wurde, um einen ap-n-Übergang zu erzeugen, indem ein lokaler Bereich polarisiert wird, in dem der Ladungsträgertyp dem in anderen Teilen der MoTe2-Flocke entgegengesetzt ist41,42. Obwohl diese Technik äußerst anpassungsfähig ist, ist sie besonders volatil, wenn die Gate-Spannung ausgeschaltet ist. Die zweite Methode besteht in der atomaren Dotierung und Oberflächenmodifizierung mithilfe physikalischer und chemischer Prozesse43,44. Diese Prozesse verändern das Material nachhaltig; Es ist jedoch schwierig, p-Typ- und n-Typ-Dotierung in den lokalen Bereichen eines einzelnen Bauelements zu kombinieren. Es gibt eine andere Möglichkeit, den Trägertyp in MoTe2 zu manipulieren. Bei dieser Methode handelt es sich um eine Metallkontakttechnik, bei der Metallelektroden mit niedriger und hoher Austrittsarbeit zum Einsatz kommen45,46. Beispielsweise wurde Platin, ein Metall mit hoher Austrittsarbeit, als Source- und Drain-Kontakt verwendet, und ambipolares MoTe2 wurde in einen unipolaren Feldeffekttransistor (FET) vom p-Typ umgewandelt47. Allerdings ist der unipolare n-Typ-Transport von MoTe2 aufgrund der Fermi-Level-Pinning und einer begrenzten Auswahl an Metallen mit niedriger Austrittsarbeit äußerst schwierig zu erreichen. Um den Trägertyp und die Konzentration in MoTe2 zu modulieren, ist daher die Entwicklung einer stabilen, nichtflüchtigen und kontrollierten Technik erforderlich, um die Eigenschaften von MoTe2 aus der breiten Perspektive elektronischer Geräte anzupassen.

Hier stellen wir eine vielversprechende Strategie zur Bewältigung der oben genannten Schwierigkeiten vor. Genauer gesagt verwenden wir ein lokalisiertes Metall-Gate in einem bestimmten Bereich von MoTe2, wobei h-BN als dielektrisches Material im Metall-Gate verwendet wird und seine Dicke eine entscheidende Rolle bei der elektrostatischen Dotierung von MoTe2 spielt. Eine Region des MoTe2 wird auf einem h-BN-Substrat mit einem lokalisierten Metall-Gate darunter platziert, während die andere Region auf h-BN ohne Gate platziert wird, um die Kontrolle des Gate-Effekts auf eine bestimmte Region des MoTe2 zu ermöglichen. Anschließend wird eine Beleuchtung mit tiefem Ultraviolettlicht (DUV) durchgeführt, um einen Ladungstransfer zu den Defektzuständen von h-BN mit dem lokalisierten Metallgate darunter zu induzieren. Dann fungiert h-BN mit geladenen Defektzuständen als Gate-Elektrode, um eine elektrostatische Dotierung der lokalisierten MoTe2-Region zu bewirken. Wir untersuchen auch die Eigenschaften von p-n-Dioden bestehend aus p-MoTe2 und n-MoTe2, die unter Verwendung von h-BN und einem Metall-Gate hergestellt werden.

h-BN- und MoTe2-Nanoflocken wurden unter Verwendung von Klebeband und einem herkömmlichen mechanischen Peelingverfahren hergestellt, und die Trockentransfertechnik wurde verwendet, um Stapel der h-BN/MoTe2-Heterostrukturen herzustellen. Abbildung 1a und b zeigen ein schematisches Diagramm bzw. ein optisches Mikroskopbild des h-BN/MoTe2-Heterostruktur-basierten FET. Wir haben die 2D-Flocken auch mithilfe der Raman-Spektroskopie untersucht, einer zerstörungsfreien und präzisen Technik zur Bestimmung des Spannungseffekts, der Wärmeleitfähigkeit, der Bandstruktur und der Adsorption von Chemikalien auf Materialoberflächen48,49,50. Um den Erwärmungseffekt zu verhindern, wurden die Raman-Spektren bei Raumtemperatur mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 514 nm und einer geringen Laserleistung von 1,0 mW aufgenommen. Abbildung 1c zeigt die Raman-Spektren von MoTe2 und drei Peaks, die A1g (174,63/cm), E12g (237,87/cm) und B12g (291,97/cm) zugeordnet sind. Die Raman-Spektren von h-BN sind in der Zusatzinformation Abb. S1 dargestellt, wo wir einen dominanten E2g-Peak (1364,47/cm) beobachteten. Abbildung 1d zeigt das topografische Bild der Rasterkraftmikroskopie (AFM) und das Höhenprofil der h-BN/MoTe2-Heterostruktur, was darauf hinweist, dass die Dicken der h-BN- und MoTe2-Komponenten 2 bzw. 0,8 nm betrugen.

(a) Schematische Darstellung eines h-BN/MoTe2-FET. (b) Optisches Bild eines h-BN/MoTe2-FET. (c) Raman-Spektrum von MoTe2. (d) AFM-Bild und Höhenprofil eines h-BN/MoTe2-FET.

Der Ladungsträgertyp eines TMD spielt eine wichtige Rolle für den Grenzflächenwiderstand zwischen Kontaktmetall und Halbleiter. Unberührtes MoTe2 kann je nach seinem natürlichen Dotierungszustand entweder ambipolar oder unipolar, vom n-Typ oder vom p-Typ, sein36,51,52,53,54,55,56. Wir fanden heraus, dass unsere dünnen MoTe2-Flocken im ursprünglichen Zustand vom p-Typ waren. Daher stellten wir zunächst eine dünne Schicht MoTe2 (0,8 nm) auf einer dicken h-BN-Schicht (167 nm) her. Es wurde ein Si/SiO2-Substrat verwendet, bei dem Si zur Verwendung als Back-Gate degeneriert dotiert war. Die AFM-Bilder und Höhenprofile von h-BN und MoTe2 sind in der Zusatzinformation Abb. S2 dargestellt. Es wurde festgestellt, dass makelloses MoTe2 (0,8 nm) ein p-Typ-Verhalten aufweist, wie in den Übertragungskurven (Ids − Vg−m) und (Ids − Vg−Si) in Abb. 2a bzw. den ergänzenden Informationen in Abb. S3a dargestellt. Während der Transferkurvenmessungen, die im Vakuum durchgeführt wurden, wurde die Drain-Source-Spannung (Vds) auf 0,5 V festgelegt. Darüber hinaus haben wir die Ausgangseigenschaften von reinem, dünnem p-Typ-MoTe2 untersucht und festgestellt, dass I-V-Kurven auftreten sind nichtlinear, wie in Abb. S3b gezeigt, was auf die Existenz einer Schottky-Barriere zwischen dünnem MoTe2 und Metallkontakt (Cr/Au) hinweist. Anschließend wurde der photoinduzierte Dotierungseffekt untersucht, als h-BN/MoTe2 für verschiedene Zeitintervalle mit DUV unter Anlegen einer Schreibspannung (Vw.v) im Bereich von –2 bis –10 V beleuchtet wurde, wie in Abb. 2a. Die Schreibspannungen werden durch ein lokalisiertes Metallgate (Cr/Au, 3/13 nm) angelegt, um mithilfe eines DUV im Vakuum Elektronen in den Defektstellen der h-BN-Schicht aufzufüllen oder zu vermindern. Um diesen photoinduzierten Dotierungseffekt zu erzielen, ist die Verwendung sowohl eines DUV als auch einer Schreibspannung unerlässlich57. Abbildung 2a zeigt einen makellosen MoTe2-FET auf h-BN, der ursprünglich vom p-Typ war, aber durch DUV-Beleuchtung und Anlegen einer Schreibspannung in den n-Typ umgewandelt wurde. Anfänglich führte das Anlegen einer Schreibspannung von –2 V unter DUV-Lichtbeleuchtung zu einer Änderung der Polarität des ursprünglichen MoTe2 vom p-Typ zum n-Typ, wie in Abb. 2a dargestellt. Bei weiterer Erhöhung der Schreibspannung wurde der MoTe2-Bereich über dem lokalisierten Metall-Gate bei einer Schreibspannung von –10 V vollständig zum n-Typ 58,59,60. Darüber hinaus führten höhere Schreibspannungen zu mehr positiven Ladungen auf der h-BN-Flocke, was letztendlich für eine zusätzliche positive Gate-Spannung sorgte. Dieser photoinduzierte Dotierungseffekt von MoTe2 kann auf einen Mechanismus zurückgeführt werden, der die Elektronenverarmung donorartiger Defekte in den h-BN-Flocken beinhaltet, die durch die negative Gate-Spannung bei optischer DUV-Anregung erzeugt werden61,62. Die abgereicherten Elektronen gelangen in das Leitungsband des h-BN und übertragen sich dann auf das MoTe2, wodurch positiv ionisierte Defekte innerhalb der h-BN-Schicht zurückbleiben, die unter einem externen elektrischen Feld (Vg−m) beobachtet werden können. Folglich führten diese positiv geladenen Donor-ähnlichen Defekte im h-BN zum elektrostatischen Dotierungseffekt von MoTe2.

(a) Übertragungseigenschaften von MoTe2 (0,8 nm) FET auf einem 167 nm dicken h-BN-Substrat vor und nach fotoinduzierter Dotierung unter DUV-Beleuchtung (5 min) mit Schreibspannungen im Bereich von –2 bis –10 V. (b ) Übertragungseigenschaften des MoTe2-FET (2,4 nm) auf einem 42 nm dicken h-BN-Substrat. (c) Übertragungseigenschaften des dünnen MoTe2-FET (1,6 nm) auf einem 2 nm dicken h-BN-Substrat. (d) Elektronenmobilität und Ladungsträgerkonzentration des MoTe2-FET (0,8 nm) auf einem 167 nm dicken h-BN-Substrat nach photoinduzierter Dotierung mit unterschiedlichen Metall-Gate-Spannungen.

Um zu untersuchen, ob donorartige Defekte an der h-BN/MoTe2-Grenzfläche oder innerhalb des h-BN selbst vorhanden sind, haben wir die photoinduzierten Dotierungseigenschaften von MoTe2-Filmen mit verschiedenen h-BN-Dicken gemessen. Wenn die photoinduzierte Dotierungsrate proportional zur h-BN-Dicke ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Defekte innerhalb des h-BN-Körpers vorhanden sind. Wenn der photoinduzierte Dotierungseffekt jedoch von Defekten an der Grenzfläche herrührt, muss er unabhängig von der h-BN-Dicke sein. Daher stellten wir dünne (0,8–2,4 nm) MoTe2-FETs mit unterschiedlichen h-BN-Dicken her, um die Rolle der h-BN-Dicke beim photoinduzierten Dotierungseffekt aufzudecken. Die Übertragungseigenschaften der Heterostruktur MoTe2 (2,4 nm)/h-BN (42 nm) wurden mit einer Drain-Source-Spannung von 0,5 V und einer Metall-Gate-Spannung von –4 bis +4 V gemessen, wie in Abb. 2b dargestellt. AFM bestätigte die Dicken der MoTe2- und h-BN-Schichten, wie in der Zusatzinformation Abb. S4 dargestellt. Als die Schreibspannung von −2 auf −10 V erhöht wurde, änderte sich die Polarität von MoTe2 vom p-Typ zum n-Typ, wandelte sich jedoch nicht vollständig in den n-Typ um und blieb ambipolar. In ähnlicher Weise wurden die Übertragungseigenschaften eines anderen MoTe2-FET (1,6 nm Dicke) auf einer dünnen (2 nm) h-BN-Schicht bewertet und sind in Abb. 2c dargestellt. In diesem Fall beobachteten wir auch, dass das ursprüngliche MoTe2 vom p-Typ seine Polarität nicht vollständig in den n-Typ änderte und erneut ambipolar blieb. Die photoinduzierten Dotierungseffektraten in Abb. 2b, c stehen im Gegensatz zu denen in Abb. 2a, wo die darunter liegenden h-BN-Flocken besonders dick sind. Unsere Ergebnisse deuten daher darauf hin, dass die photoinduzierte Dotierung in h-BN/MoTe2-Heterostrukturen auf die optische Stimulation elektronischer Zustände innerhalb der h-BN-Schicht zurückzuführen ist und dass die Dicke dieser h-BN-Schicht eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Ausmaßes spielt photoinduzierte Dotierung. Es ist auch möglich, dass donorähnliche Defektzustände in unterschiedlichen Tiefen innerhalb der h-BN-Flocken existieren; Abb. S5 in den Zusatzinformationen zeigt eine schematische Darstellung der verbleibenden positiven Defekte in dünnen und dicken h-BN-Schichten nach DUV-Beleuchtung unter Anlegen einer Schreibspannung. Da DUV von der Oberseite der h-BN-Flocke beleuchtet wird, sind die positiven Defekte eher im oberen Teil der h-BN-Flocke zu finden. Um den photoinduzierten Dotierungseffekt bei verschiedenen Schreibspannungen zu vergleichen, haben wir die Trägerdichte des MoTe2-FET geschätzt. Die Ladungsträgerkonzentration (ne) lässt sich wie folgt berechnen63:

Dabei ist Vth die Elektronentransport-Schwellenspannung, Vg−m die Metall-Gate-Spannung und e die Ladung eines Elektrons (1,602 × 10−19 C). Der Kapazitätswert (Cg) von h-BN pro Flächeneinheit kann wie folgt berechnet werden: Cg = ε0 εr/d, wobei d die Dicke der h-BN-Schicht, ε0 die Vakuumpermittivität und εr die Dielektrizitätskonstante von h ist -BN. Abbildung S6a in den Zusatzinformationen zeigt die Diagramme der Gate-Kapazität gegenüber der Frequenz für verschiedene Dicken von h-BN. Dies zeigt, dass die Kapazität mit zunehmender Dicke der h-BN-Schicht abnimmt, wie in Abb. S6b dargestellt. Abbildung 2d zeigt die Elektronenträgerkonzentration ne nach photoinduzierter Dotierung unter Anlegen einer Schreibspannung (Vw.v) in Kombination mit DUV für einen MoTe2-FET (0,8 nm) auf einer dicken (167 nm) h-BN-Schicht. Die Trägerkonzentration (ne) wurde nach photoinduzierter Dotierung auf Vg−m = + 4 V geschätzt. In ähnlicher Weise haben wir ne bei Vg−m = 0 V geschätzt, wie in Abb. S6c gezeigt, was ein ähnliches Verhalten zeigt, aber die Anzahl der Ladungsträger ist im Vergleich zu ne bei Vg−m = + 4 V geringer. Darüber hinaus haben wir berechnet die Feldeffektmobilität des MoTe2-FET unter Verwendung der folgenden Gleichung.

Dabei ist W die Kanalbreite, L die Kanallänge und \(\frac{{dI_{ds} }}{{dV_{g - m} }}\) die Steigung des linearen Teils der Übertragungscharakteristik von der MoTe2-FET bei einer angelegten Vds von 0,5 V. Abbildung 2d zeigt die Beweglichkeit des MoTe2-FET (0,8 nm) auf einer dicken (167 nm) h-BN-Schicht nach dem Anlegen einer Schreibspannung Vw.v in Kombination mit DUV. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der photoinduzierte Dopingeffekt über mehrere Tage stabil war. Der MoTe2-FET zeigte einen stabilen Dotierungseffekt vom n-Typ, wie in der Zusatzinformation Abb. S7a dargestellt.

Wir untersuchten auch die Abhängigkeit der MoTe2-Flocke vom photoinduzierten Dotierungseffekt. Dazu wurden zwei unterschiedlich dicke MoTe2-Flocken auf eine h-BN-Schicht gelegt und die Transferkurven nach photoinduzierter Dotierung mit verschiedenen Schreibspannungen gemessen. Abbildung 3a zeigt die Übertragungskurven des MoTe2-FET (6,4 nm) auf h-BN (160 nm), der im ursprünglichen Zustand ambipolares Verhalten zeigt. Darüber hinaus haben wir die Ausgangseigenschaften von reinem, dickem MoTe2 vom n-Typ untersucht und festgestellt, dass die IV-Kurven nichtlinear sind, wie in Abb. S8 dargestellt. Allerdings wurde die Schreibspannung von –2 auf –10 V erhöht, die n-Typ-Eigenschaften des MoTe2-FET wurden nach der photoinduzierten Dotierung verbessert. Zum Vergleich untersuchten wir den photoinduzierten Dotierungseffekt in einem dickeren MoTe2-FET (46 nm) auf h-BN (165 nm), wie in Abb. 3b dargestellt. Die Übertragungskurve zeigte die n-Typ-Eigenschaften des ursprünglichen MoTe2-FET und es wurde beobachtet, dass die photoinduzierte Dotierungsbehandlung die n-Typ-Eigenschaften verbesserte. Genauer gesagt zeigte die reine MoTe2-Flocke p-Typ-Eigenschaften, wenn ihre Dicke <2,4 nm betrug, wie in Abb. 2a–c gezeigt, während die dicke (46 nm) MoTe2-Flocke im makellosen Zustand n-Typ-Eigenschaften aufwies. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein ap-n-Übergang in dünnen MoTe2-Flocken durch eine Kombination aus photoinduzierter Dotierungsbehandlung und einem lokalen Metall-Gate gebildet werden kann.

(a) Übertragungseigenschaften des MoTe2-FET (6,4 nm) auf einem 160 nm dicken h-BN-Substrat. (b) Übertragungseigenschaften des MoTe2-FET (46 nm) auf einem 165 nm dicken h-BN-Substrat.

Anschließend verwendeten wir die photoinduzierte Dotierungstechnik, um n-Typ-Regionen in lokalen Regionen dünner MoTe2-Flocken (0,8–2,4 nm dick) auf h-BN, montiert auf Metallgates, vorzubereiten, während die anderen Regionen ähnlich wie p-Typ blieben der makellose Zustand von MoTe2. Obwohl das DUV den gesamten Bereich der h-BN-Schicht beleuchtete, konnten nur die donatorähnlichen Defekte in den lokalen Bereichen über dem Metallgate aufgeladen werden. Infolgedessen wurde in der MoTe2-Flocke zwischen den Anschlüssen S und D2 eine ap-n-Diode erhalten, wie in Abb. 1a dargestellt. Darüber hinaus zeigt Abb. 4a die Ausgangseigenschaften der MoTe2-pn-Dioden mit unterschiedlichen h-BN-Dicken nach fotoinduzierter Dotierung; Der Einschub von Abb. 4a zeigt die Ids-Vds-Kurven im logarithmischen Maßstab, die die Gleichrichtungseigenschaften angeben. Da die photoinduzierte Dotierungsrate von MoTe2 von der Dicke der h-BN-Schicht abhängt (siehe Abb. 2), ist zu erwarten, dass die Funktion der pn-Diode auch von dieser Dicke abhängt. Abbildung 4b zeigt das Gleichrichtungsverhältnis (RR) der MoTe2-pn-Diode für verschiedene h-BN-Dicken, wobei das RR durch Ion bei Vds = + 5 V geteilt durch Ioff bei Vds = − 5 V definiert ist. Der höchste RR-Wert (~ 1,5 × 103) wurde für die MoTe2-Flocke gefunden, die auf der dicksten h-BN-Schicht (167 nm) montiert war. Wir untersuchten auch die MoTe2-pn-Diodeneigenschaften für verschiedene Dicken von MoTe2-Flocken. So zeigt Abb. 4c die Ausgangseigenschaften der MoTe2-pn-Dioden mit verschiedenen MoTe2-Dicken, und der Einschub zeigt die Ids-Vds-Kurven im logarithmischen Maßstab. Wie erwartet wurden in MoTe2-Flocken mit Dicken > 16 nm im Allgemeinen keine Diodeneigenschaften beobachtet, da sich die Mehrzahl der Flocken im n-Typ-Zustand (d. h. im ursprünglichen Zustand) befindet. Wie in Abb. 4d gezeigt, wurde für dünnere MoTe2-Flocken ein höherer RR erreicht.

(a) Ausgangseigenschaften der MoTe2-pn-Dioden auf h-BN-Substraten unterschiedlicher Dicke, wobei die Dicke der MoTe2-Flocken zwischen 0,8 und 2,4 nm lag. (b) Gleichrichtungsverhältnis der MoTe2-pn-Dioden auf h-BN-Substraten unterschiedlicher Dicke, wobei die Dicke der MoTe2-Flocken zwischen 0,8 und 2,4 nm lag. (c) Ausgangseigenschaften der MoTe2-pn-Dioden für MoTe2-Flocken unterschiedlicher Dicke. (d) Gleichrichtungsverhältnis der MoTe2-pn-Dioden für MoTe2-Flocken unterschiedlicher Dicke, wobei die Dicke der h-BN-Flocken zwischen 160 und 167 nm lag.

Nach unserer Untersuchung des photoinduzierten Dotierungseffekts bei einer negativen Schreibspannung des Metallgates, der hauptsächlich auf dem Vorhandensein donorartiger Defekte in der h-BN-Schicht beruht, befassten wir uns mit der Möglichkeit einer umgekehrten photoinduzierten Dotierung Doping. Zu diesem Zweck wurde ein MoTe2-FET (0,8 nm) auf einer h-BN-Schicht (167 nm) 5 Minuten lang einer DUV-Beleuchtung mit einer positiven Schreibspannung für das Metallgate ausgesetzt, wie in der Zusatzinformation Abb. S7b dargestellt. Das gleiche System wurde vor Beginn des Experiments in Kombination mit einer Schreibspannung von −10 V verwendet und die umgekehrte photoinduzierte Dotierung wurde mit positiven Schreibspannungen im Bereich von +2 bis +10 V untersucht. Es wurde festgestellt, dass sich die Übertragungskurve in Richtung änderte Mit zunehmender Schreibspannung war die Bindung vom p-Typ, blieb aber auch bei der höchsten Schreibspannung von + 10 V eher dem n-Typ ähnlich. Hierbei ist auch zu beachten, dass die Dichte akzeptorartiger Defekte geringer war als die des Donor-Typs. ähnliche Defektzustände in der h-BN-Schicht.

Die natürlichen Massenkristalle von h-BN und MoTe2 wurden durch HQ-Graphen bereitgestellt. Unter Verwendung von Klebeband in einer Reinraumumgebung wurde die mechanische Peelingmethode verwendet, um ultradünne Nanoflocken aus h-BN und MoTe2 aus ihren Massenformen zu gewinnen. In der Anfangsphase des Photolithographieprozesses wurden ein Photoresist (SPR) und Ethyllactat (EL) durch Schleuderbeschichtung auf Si/SiO2-Substrate (SiO2: 300 nm) aufgetragen. Anschließend wurden die erhaltenen Muster 5 Minuten lang Sauerstoffplasma ausgesetzt, um die SPR- und EL-Rückstände zu entfernen. Anschließend wurde ein thermischer Verdampfer verwendet, um Cr/Au (3/30 nm) für die großen Muster zu verdampfen, während die untere Elektrode aus Cr/Au (3/13 nm) mithilfe herkömmlicher Elektronenstrahllithographie und thermischer Verdampfungstechniken hergestellt wurde. Anschließend wurde eine große h-BN-Flocke trocken auf die Oberseite der unteren Elektrode übertragen, während der andere Rest auf dem Si/SiO2-Substrat vorhanden war. Die MoTe2-Flocke wurde dann mit einem Mikromanipulator auf die h-BN-Schicht übertragen, wie in Abb. S9 in den Zusatzinformationen dargestellt. Am Ende des Transfervorgangs wurde das Substrat auf eine 90 °C heiße Platte gelegt, um Dampf von den Außenflächen und Grenzflächen zu entfernen. Nach jedem Transfervorgang wurden die Proben mit Aceton und Methanol gereinigt und schließlich unter einem N2-Gasstrom getrocknet. Die Source-/Drain-Elektroden wurden mittels konventioneller Elektronenstrahllithographie hergestellt. Schließlich wurden Cr/Au-Metallkontakte (10/80 nm) mithilfe einer thermischen Verdampfungstechnik abgeschieden.

Für die photoinduzierte Dotierungsbehandlung wurden die MoTe2-FETs auf h-BN mit DUV-Licht (λ = 220 nm, 11 mW cm−2) beleuchtet. Zur Untersuchung der MoTe2-Flocken wurden optische Mikroskopie und Raman-Spektroskopie eingesetzt und ihre Dicke mittels AFM gemessen. Die elektrischen Transporteigenschaften wurden im Vakuum mit einem Quellenmessgerät (Keithley 2400) und einem Picoamperemeter (Keithley 6485) gemessen.

Wir haben hier über die Herstellung von MoTe2-Feldeffekttransistoren (FETs) auf hexagonalem Bornitrid (h-BN) mit einem lokalisierten Metall-Gate berichtet und festgestellt, dass die photoinduzierte Dotierungsbehandlung für dünnere MoTe2-Flocken, die auf einem dickeren h-BN montiert sind, am effektivsten war. BN-Schicht. Die Verwendung einer negativen Schreibspannung unter Beleuchtung im tiefen Ultraviolett (DUV) induzierte eine n-Dotierung des MoTe2-FET, während die Verwendung einer positiven Schreibspannung unter DUV-Beleuchtung eine p-Dotierung induzierte; Dieser Unterschied wurde auf die im h-BN vorhandenen Donor- und Akzeptor-ähnlichen Defekte zurückgeführt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass der photoinduzierte Dotierungseffekt mit zunehmender Schreibspannung stärker wurde. Darüber hinaus führte eine negative Schreibspannung zu einem stärkeren Dotierungseffekt als eine positive Schreibspannung, was darauf hindeutet, dass donorartige Defekte im h-BN dominanter sind als akzeptorartige Defekte. Diese Beobachtungen belegen deutlich den Erfolg dieser wählbaren lokalen Dotierungstechnik, die als Behandlungsmethode nach der Herstellung anwendbar ist.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde durch das von der koreanischen Regierung (MSIT) finanzierte Stipendium der National Research Foundation of Korea (NRF) (Nr. 2021R1A4A1031900 und das Global Research and Development Center Program Nr. 2018K1A4A3A01064272) unterstützt.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Muhammad Asghar Khan und Muhammad Farooq Khan.

Abteilung für Physik und Astronomie und Graphene Research Institute – Texas Photonics Center International Research Center (GRI–TPC IRC), Sejong University, Seoul, 05006, Korea

Muhammad Asghar Khan, Ghulam Dastgeer, Byung Min Ko und Jonghwa Eom

Fakultät für Elektrotechnik, Sejong-Universität, Seoul, 05006, Korea

Muhammad Farooq Khan, Shania Rehman und Harshada Patil

Abteilung für Konvergenztechnik für intelligente Drohnen, Sejong-Universität, Seoul, 05006, Korea

Shania Rehman & Harshada Patil

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MAK, MFK und JE waren für die experimentelle Gestaltung und Interpretation sowie für die Erstellung, Überarbeitung und Finalisierung des Manuskripts verantwortlich. SR, HP, GD und BMK führten die elektrische Messung und Probencharakterisierung durch.

Korrespondenz mit Jonghwa Eom.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Khan, MA, Khan, MF, Rehman, S. et al. Der nichtflüchtige elektrostatische Dotierungseffekt in MoTe2-Feldeffekttransistoren, gesteuert durch hexagonales Bornitrid und ein Metallgate. Sci Rep 12, 12085 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-16298-w

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Eingegangen: 18. Mai 2022

Angenommen: 07. Juli 2022

Veröffentlicht: 15. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16298-w

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