Rectificación actual en una estructura:contactos ReSe2 / Au en ambos lados de ReSe2
Resumen
El efecto Schottky de los materiales bidimensionales es importante para la electricidad a nanoescala. A ReSe 2 las escamas se transfieren para suspenderlas entre un sumidero de Au y una nanofilm de Au. Este dispositivo está diseñado inicialmente para medir las propiedades de transporte del ReSe 2 escama. Sin embargo, en el experimento se observa un comportamiento de rectificación de 273 a 340 K. El coeficiente de rectificación es de aproximadamente 10. Se analiza sistemáticamente la microestructura y la composición de los elementos. El ReSe 2 las escamas y la película de Au están en contacto con el sustrato de Si de la imagen del microscopio electrónico de barrido en una vista inclinada de 45 °. El ReSe 2 Los contactos / Si y Si / Au son contactos de heterounión p-n y contactos Schottky. La asimetría de ambos contactos da como resultado el comportamiento de rectificación. La predicción basada en la teoría de la emisión termoiónica concuerda bien con los datos experimentales.
Introducción
Los comportamientos de rectificación de los contactos de semiconductores de metal, donde la corriente varía con la dirección del voltaje aplicado, se utilizan ampliamente en el diodo de barrera Schottky, el transistor de efecto de campo (FET) y el FET de semiconductor de óxido de metal. Schottky explicó el comportamiento de las capas de agotamiento en el lado de los semiconductores de tales interfaces [1]. Las diferencias en la función de trabajo de los electrones entre el metal y el semiconductor conducen al comportamiento de rectificación denominado efecto Schottky [2]. El contacto entre el metal y los materiales semiconductores bidimensionales (2D) es un contacto Schottky cuando el metal tiene una función de trabajo de electrones más alta que los materiales semiconductores 2D de tipo n o una función de trabajo de electrones más baja que un semiconductor 2D de tipo p. El efecto Schottky de los materiales de metal / 2D tiene grandes aplicaciones en micro-fotodetectores, micro-FET, sensores de gas y fototransistores [3]. Entre los materiales 2D, los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) han atraído mucha atención porque tienen una banda prohibida considerable [3] y la banda prohibida pasa de indirecta a directa a medida que el espesor se reduce a monocapa [4]. La banda prohibida garantiza que los TMD se puedan utilizar para muchas aplicaciones, es decir, FET y células solares [3]. Los TMD también se pueden utilizar en el campo termoeléctrico [5], que ha atraído una gran atención [6,7,8,9]. Se han realizado muchos experimentos para explorar propiedades y aplicaciones de TMD como MoS 2 , MoSe 2 , WSe 2 y WS 2 . Lopez-Sanchez et al. [10] hizo fototransistores monocapa ultrasensibles con MoS 2 . Britnell y col. [11] hizo un WS 2 / heteroestructura de grafeno y demostró su aplicación en dispositivos fotovoltaicos. WSe 2 , como semiconductor ambipolar, se controló con puertas electrostáticas dobles para fabricar un diodo emisor de luz [12, 13]. Entre los TMD, ReSe 2 es diferente de otros TMD del grupo VI porque ReSe 2 pertenece a los TMD del grupo VII con un electrón extra en d orbitales, lo que conduce a una fuerte anisotropía en el plano [14]. Algunos estudios han explorado las propiedades eléctricas de ReSe 2 debido a su estructura especial de banda. La rectificación actual se explora con un ReSe 2 / WS 2 heterounión p-n [15] y ReSe 2 / MoS 2 heterounión p-n [16]. FET está hecho para investigar las propiedades eléctricas de contactos de metal / semiconductores como ReSe 2 / metal o ReS 2 / metal [17,18,19].
En esta carta, un ReSe 2 las escamas se suspenden a través de un sumidero de Au y un electrodo de nanocintas de Au. El dispositivo está diseñado originalmente para medir la conductividad térmica y eléctrica del ReSe 2 escama. Las mediciones se realizaron a 340 K, 310 K, 280 K y 273 K.
Métodos
En primer lugar, se fabricó el sustrato de Si con electrodos de Au. El sustrato de Si sin dopar de 400 μm de espesor se oxidó para formar un SiO 2 de 180 nm de espesor capa después de la limpieza inicial, y se depositó una capa protectora de haz de electrones de 320 nm de espesor sobre el SiO 2 superficie mediante recubrimiento por centrifugación. Se depositó Au por deposición física de vapor para fabricar los nanoelectrodos de Au y la nanofilm de Au en el patrón que se preparó mediante litografía por haz de electrones. Al poner la muestra en el revelador de fotorresistencia, se grabó la capa protectora de haz de electrones y se dejaron el electrodo de Au y la película. Por fin, el SiO 2 La capa se graba con ácido fluorhídrico tamponado y la capa de Si debajo de la nanofilm de Au se graba con CF 4 plasma para fabricar una nanofilm suspendida que se encuentra aproximadamente a 6 μm por encima del sustrato de Si.
ReSe 2 las escamas se sintetizaron por transición de vapor químico sobre un sustrato de cobre. A ReSe 2 las escamas se transfirieron a los electrodos de Au para fabricar Au-ReSe 2 -Au se pone en contacto con el método de transferencia de humectación, en el que el ReSe 2 Se recubrió una nanocinta con el sustrato de cobre con polimetilmetacrilato (PMMA) y se hizo flotar sobre la solución de grabado para grabar el sustrato de cobre. Después de que se despegó el sustrato de cobre, el ReSe 2 recubierto de PPMA la escama se movió con precisión por encima del sustrato de Si con nanoelectrodos de Au mediante la plataforma de transferencia de punto fijo. Luego, el PMMA se cortó con láser y el ReSe 2 recubierto de PMMA el copo aterrizó y quedó suspendido entre la nanofilm de Au y el nanoelectrodo de Au. Finalmente, se eliminó el PMMA sumergiendo la muestra en un baño de solución de hidróxido de potasio durante 3 h. La imagen del microscopio electrónico de barrido (SEM) del electrodo de Au fabricado-ReSe 2 escamas de nanocintas de Au (Au-ReSe 2 -Au) en vista vertical al sustrato se muestra en la Fig. 1a. El ReSe 2 la escama estuvo en contacto con una nanocinta de Au en la sección B y en contacto con el electrodo de Au en la sección C. La Figura 1b muestra el diagrama esquemático del dispositivo.
un Imagen SEM del dispositivo en vista vertical al sustrato y la dirección de corriente positiva y b diagrama esquemático del dispositivo de medición
La dirección a lo largo de A-B-C se define como positiva, o viceversa, y se aplicó una corriente continua. El voltaje, V , en Au-ReSe 2 -Las uniones Au se midieron con un multímetro digital de alta precisión (Keitheley 2002, 8.5 dígitos), mientras que la corriente, I , se determinó midiendo el voltaje a través de una resistencia de referencia en serie. El yo - V curvas del ReSe 2 / Las uniones de Au para voltaje directo e inverso se midieron a diferentes temperaturas en un sistema de medición de propiedades físicas (diseño cuántico).
Resultados y discusión
La figura 2 muestra el I medido - V curvas a 273 K, 280 K, 310 K y 340 K. Asimetrías significativas en la I - V Se observan curvas en todas las temperaturas medidas, lo que indica un comportamiento de rectificación inusual. Las corrientes a 277 mV y - 277 mV se utilizan para calcular la relación de rectificación de corriente a cada temperatura, y la relación de rectificación es aproximadamente 10. La corriente aumenta con la temperatura para un voltaje dado.
Características de corriente-voltaje de las uniones Au-ReSe2-Au a 273 K, 280 K, 310 K y 340 K
Para explorar el mecanismo responsable de la rectificación inusual, la microestructura del ReSe 2 las escamas se detectaron mediante un microscopio de fuerza atómica [(AFM), Cypher, Oxford Instruments] y un espectrómetro Raman (Jovin Yvon T64000, longitud de onda de excitación 532 nm). La imagen AFM del ReSe 2 las escamas se muestran en la Fig. 3a-c, y el espesor promedio determinado es de 28 nm basado en el perfil de altura de la sección transversal a lo largo de la línea blanca. El espectro Raman que consta de hasta 13 líneas esperadas con alta intensidad de señal se muestra en la Fig. 3d, que se corresponde bien con el espectro detectado por Wolverson et al. [4] y revelando la estructura cristalina triclínica del presente ReSe 2 escamas.
un , b y c Imagen AFM y grosor de ReSe2 y d Espectro Raman y estructura cristalina de ReSe2
La Figura 4 es la imagen SEM del ReSe 2 escamas en vista inclinada de 45 ° mostrando que el ReSe 2 las escamas y la nanofilm de Au están en contacto con el sustrato de Si. ReSe 2 -Au contact se ha demostrado el contacto óhmico en un estudio anterior [20] que no es responsable del comportamiento de rectificación en este experimento. El circuito está constituido por Au-ReSe 2 -Au y Au-ReSe 2 -Uniones Si-Au. La figura 5 muestra el esquema del circuito. Se ha mostrado que el contacto Si-Au es el contacto Schottky [21].
Imagen SEM de ReSe 2 escamas y nanofilm de Au en vista inclinada de 45 °
Esquema del circuito
La Figura 6 muestra los datos de espectroscopía de energía dispersiva (EDS). El espectro de la suma del mapa de ReSe 2 se adquiere en las secciones 1 y 2. La fórmula química promedio es ReSe 1,67 que tiene una proporción de Re más alta que ReSe 2 y le da el ReSe 2 propiedades de semiconductores de tipo p en escamas. Por lo tanto, el ReSe 2 -Si contact es una heterounión p-n y exhibe el comportamiento de rectificación. La asimetría de ambos contactos de rectificación da como resultado el comportamiento de rectificación.
Datos EDS de ReSe 2 está en la esquina superior derecha de la imagen. Los recuadros 1 y 2 representan dos secciones medidas
La corriente se puede determinar mediante la siguiente ecuación tanto en el contacto de Schottky como en la heterounión p-n [22, 23]:
$$ I ={I} _0 {e} ^ {qV / nkT} \ left (1- {e} ^ {- qV / kT} \ right) $$ (1) $$ {I} _0 ={AA} ^ {\ ast} {T} ^ 2 {e} ^ {- q {\ Phi} _B / kT} $$ (2)donde yo 0 es la corriente de saturación, q es la carga electrónica, k es la constante de Boltzmann, V es el voltaje aplicado a través de la unión, A es el área de contacto, A * es la constante de Richardson efectiva, Ф B es la altura aparente de la barrera y T es la temperatura de medición. El factor de idealidad dependiente de la temperatura n representa el nivel en el que el contacto se aparta de un contacto ideal de Schottky.
Un cálculo basado en la ecuación. (1) se realiza para examinar el análisis del comportamiento de rectificación. Corrientes del ReSe 2 -Si contacto, yo 1 , y el contacto Si-Au, I 2 , se expresan por:
$$ {I} _1 ={I} _ {01} {e} ^ {qV / {n} _1 kT} \ left (1- {e} ^ {- qV / kT} \ right), $$ (3 ) $$ {I} _2 ={I} _ {02} {e} ^ {- qV / {n} _2 kT} \ left ({e} ^ {qV / kT} -1 \ right). $$ (4)La Figura 7 muestra que los resultados numéricos concuerdan bien con los datos experimentales. Los parámetros numéricos se muestran en la Tabla 1. La corriente de saturación inversa del ReSe 2 -El contacto Si es más grande que el contacto Si-Au porque el área de contacto del ReSe 2 El contacto -Si es mucho más grande como se muestra en la Fig. 4. La corriente de saturación inversa de ambos contactos aumenta con la temperatura, lo que indica que las conductividades eléctricas de ambos contactos exhiben un comportamiento de rectificación como se muestra en la Ec. (2).
Comparación de I - V curvas de los resultados experimentales y el calculado
El factor de idealidad del ReSe 2 -El contacto Si es más grande que el contacto Si-Au debido a las diferentes condiciones de contacto y estructuras cristalinas. La Figura 4 muestra que la superficie del sustrato de Si es rugosa debido a la solución de grabado, lo que hace que ReSe 2 -Si contacto no homogéneo. El contacto no homogéneo conduce al factor de idealidad grande [24, 25]. La superficie rugosa también produce un gran número de estados de atrapamiento que resultan en un factor de idealidad grande [26]. Además, los diferentes tipos de contactos generan diferentes factores de idealidad. El ReSe 2 -Si contacto es la heterounión p-n, y el ReSe 2 y Si tienen diferentes estructuras cristalinas, triclínica para ReSe 2 y cúbico centrado en caras para Si. El desajuste de la red siempre conduce a la dislocación del borde [27] y produce una alta densidad de estados de trampa [26], lo que hace que ReSe 2 -Si los contactos se desvían del contacto ideal y tienen un factor de idealidad grande [27]. El Si-Au es el contacto del semiconductor metálico y la estructura cristalina del Si tiene pocos efectos sobre el factor de idealidad. Los factores de idealidad de ambos contactos cambian poco con la temperatura. Puede explicarse por la ecuación. (5) según lo informado por Khurelbaatar et al. [28],
$$ n =\ frac {q} {kT} \ frac {dV} {d \ ln I}. $$ (5)La ecuación (5) muestra que el factor de idealidad es inversamente proporcional a la temperatura. El factor de idealidad disminuye significativamente con la temperatura solo a baja temperatura y cambia lentamente cuando la temperatura es superior a 300 K [28, 29]. Sin embargo, como se muestra en la Tabla 1, la corriente de saturación inversa aumenta significativamente con la temperatura que es diferente del factor de idealidad. Puede explicarse por la ecuación. (2). Según Eq. (2), la corriente de saturación inversa aumenta con la temperatura porque T 2 y exp (- q Φ B / kT ) aumentan con la temperatura. Debido a la relación exponencial entre exp (- q Φ B / kT ) y - qΦ B / kT, exp (- q Φ B / kT ) aumenta significativamente con la temperatura. Basado en la investigación de Zhu et al [30], q Φ B del contacto Au / Si en el experimento a 273 K y 295 K son 0,77 eV y 0,79 eV, respectivamente. Los resultados calculados muestran que la corriente de saturación inversa a 295 K es seis veces mayor que la corriente de saturación inversa a 273 K, lo que explica por qué la corriente de saturación inversa aumenta significativamente con la temperatura.
Conclusiones
En conclusión, se observa un comportamiento de rectificación en los contactos donde un ReSe 2 escamas suspendidas a través del sustrato de Au y nanofilm de Au a diferentes temperaturas. La imagen SEM del ReSe 2 suspendido escamas en vista inclinada de 45 ° muestra que el ReSe 2 las escamas y la nanofilm de Au están en contacto con el sustrato de Si y el mapa EDS ilustra la composición de los elementos, ReSe 1.67 . El contacto entre ReSe 2 la escama y el sustrato de Si es responsable del comportamiento de rectificación. El ReSe 2 -Los contactos Si y Si-Au son ambos contactos de rectificación que forman otro circuito, y la asimetría de ambos contactos da como resultado el aparente comportamiento de rectificación. Los resultados calculados basados en la ecuación de corriente de Schottky consideraron el contacto Si-Au Schottky y el ReSe 2 -La heterounión si p-n concuerda bien con los resultados de los experimentos.
Abreviaturas
- 2D:
-
Bidimensional
- AFM:
-
Microscopio de fuerza atómica
- EDS:
-
Espectroscopía de energía dispersiva
- FET:
-
Transistor de efecto de campo
- PMMA:
-
Polimetilmetacrilato
- SEM:
-
Microscopio electrónico de barrido
- TMD:
-
Dicalcogenuros de metales de transición
Nanomateriales