구조의 현재 정류:ReSe2 양쪽의 ReSe2/Au 접점

초록

2차원 물질의 쇼트키 효과는 나노스케일 전기에 중요하다. A ReSe₂ 플레이크는 Au 싱크와 Au 나노 필름 사이에 현탁되도록 이동됩니다. 이 장치는 처음에 ReSe₂의 전송 속성을 측정하도록 설계되었습니다. 플레이크. 그러나 실험에서는 273~340 K에서 정류 거동이 관찰되었으며 정류 계수는 약 10이며 미세 구조 및 요소 구성이 체계적으로 분석됩니다. ReSe₂ flake와 Au막은 45°의 경사에서 본 주사전자현미경 이미지에서 Si 기판과 접촉하고 있음을 알 수 있다. ReSe₂ /Si 및 Si/Au 접점은 pn 이종 접합 및 쇼트키 접점입니다. 두 접점의 비대칭으로 인해 수정 동작이 발생합니다. 열이온 방출 이론에 기반한 예측은 실험 데이터와 잘 일치합니다.

소개

전류가 인가 전압의 방향에 따라 변하는 금속-반도체 접점의 정류 거동은 쇼트키 배리어 다이오드, 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 금속 산화물 반도체 FET에 널리 사용됩니다. Schottky는 이러한 인터페이스의 반도체 측에 있는 공핍층에 의한 거동을 설명했습니다[1]. 금속과 반도체 사이의 전자 일함수의 차이는 쇼트키 효과(Schottky effect)라는 정류 거동으로 이어진다[2]. 금속과 2차원(2D) 반도체 재료 사이의 접촉은 금속이 n형 2D 반도체 재료보다 전자 일함수가 높거나 p형 2D 반도체보다 전자 일함수가 낮을 때 쇼트키 접촉입니다. 금속/2D 재료의 쇼트키 효과는 마이크로 포토 디텍터, 마이크로 FET, 가스 센서 및 포토트랜지스터에 크게 응용됩니다[3]. 2차원 물질 중에서 TMD(Transition Metal dichalcogenides)는 상당한 밴드갭을 갖고[3], 두께가 단층으로 감소함에 따라 밴드갭이 간접에서 직접으로 이동하기 때문에 많은 관심을 받고 있다[4]. 밴드갭은 TMD가 FET 및 태양 전지와 같은 많은 응용 분야에 사용될 수 있음을 보장합니다[3]. TMD는 열전 분야에서도 사용될 수 있으며[5], 이는 널리 주목받고 있습니다[6,7,8,9]. MoS₂와 같은 TMD의 특성과 응용을 탐색하기 위해 많은 실험이 수행되었습니다. , MoSe₂ , WSe₂ 및 WS₂ . Lopez-Sanchez et al. [10] MoS₂로 초고감도 단층 광트랜지스터를 만들었습니다. . Britnell et al. [11] WS₂를 만들었습니다. /그래핀 헤테로구조 및 광전지 소자에서의 응용을 시연했습니다. WSe₂ , 양극성 반도체로서, 발광 다이오드를 제조하기 위해 이중 정전 게이트로 제어되었다[12, 13]. TMD 중 ReSe₂ ReSe₂ 때문에 다른 그룹 VI TMD와 다릅니다. d에 추가 전자가 있는 그룹 VII TMD에 속합니다. 강한 평면 내 이방성을 유도하는 궤도 [14]. 몇 가지 연구에서 ReSe₂의 전기적 특성을 조사했습니다. 특별한 밴드 구조 때문입니다. 현재 정류는 ReSe₂로 탐색됩니다. /WS₂ p-n 이종접합 [15] 및 ReSe₂ /MoS₂ p-n 이종접합 [16]. FET는 ReSe₂와 같은 금속/반도체 접점의 전기적 특성을 조사하기 위해 만들어졌습니다. /금속 또는 ReS₂ /금속 [17,18,19].

이 편지에서 ReSe₂ 플레이크는 Au 싱크와 Au 나노리본 전극에 걸쳐 매달려 있습니다. 이 장치는 원래 ReSe₂의 열 및 전기 전도도를 측정하도록 설계되었습니다. 플레이크. 측정은 340 K, 310 K, 280 K 및 273 K에서 수행되었습니다.

방법

먼저, Au 전극이 있는 Si 기판을 제작했습니다. 400μm 두께의 도핑되지 않은 Si 기판은 180nm 두께의 SiO2를 형성하기 위해 산화되었습니다. 초기 세정 후 320nm 두께의 전자빔 레지스트가 SiO₂ 위에 증착되었습니다. 스핀 코팅에 의해 표면. Au를 물리기상증착법으로 증착하여 전자빔 리소그래피에 의해 형성된 패턴으로 Au 나노전극과 Au 나노필름을 제작하였다. 샘플을 포토레지스트 현상액에 넣어 전자빔 레지스트를 에칭하고 Au 전극과 필름을 남겼다. 마침내 SiO₂ 층은 버퍼링된 불화수소산으로 에칭되고 Au 나노필름 아래의 Si 층은 CF₄로 에칭됩니다. 플라즈마를 사용하여 Si 기판보다 약 6 μm 위에 있는 부유 나노필름을 제작합니다.

ReSe₂ 플레이크는 구리 기판에서 화학 증기 전이에 의해 합성되었습니다. A ReSe₂ 플레이크를 Au 전극으로 옮겨 Au-ReSe₂를 제작했습니다. - ReSe₂ 구리 기판이 있는 나노리본을 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)로 코팅하고 에칭 용액에 띄워 구리 기판을 에칭했습니다. 구리 기판이 벗겨진 후 PPMA 코팅된 ReSe₂ 플레이크는 고정 소수점 전달 플랫폼에 의해 Au 나노 전극이 있는 Si 기판 위로 정확하게 이동되었습니다. 그런 다음 PMMA를 레이저로 절단하고 PMMA가 코팅된 ReSe₂ 플레이크는 Au 나노 필름과 Au 나노 전극 사이에 매달려 있습니다. 마지막으로, 샘플을 수산화칼륨 용액조에 3시간 동안 담가서 PMMA를 제거했습니다. 제작된 Au 전극-ReSe₂의 주사전자현미경(SEM) 이미지 플레이크-금 나노리본(Au-ReSe₂ -Au) 기판에 수직으로 볼 때 접합이 그림 1a에 나와 있습니다. ReSe₂ 플레이크는 섹션 B에서 Au 나노리본과 접촉하고 섹션 C에서 Au 전극과 접촉했습니다. 그림 1b는 장치의 개략도를 보여줍니다.

<그림>

아 기판에 수직으로 본 장치의 SEM 이미지와 양의 전류 방향 및 b 측정 장치의 개략도

A-B-C 방향을 양으로 정의하거나 그 반대로 정의하고 직류를 인가하였다. 전압, V , Au-ReSe₂ 건너편 -Au 접합은 고정밀 디지털 멀티미터(Keitheley 2002, 8.5자리)로 측정되었으며, 전류 I , 는 직렬로 연결된 기준 저항 양단의 전압을 측정하여 결정되었습니다. 나 -V ReSe₂의 곡선 순방향 및 역방향 전압에 대한 /Au 접합은 물리적 특성 측정 시스템(양자 설계)에서 서로 다른 온도에서 측정되었습니다.

결과 및 토론

그림 2는 측정된 I를 보여줍니다. -V 273 K, 280 K, 310 K 및 340 K의 곡선. I의 상당한 비대칭 -V 곡선은 측정된 모든 온도에서 관찰되어 비정상적인 정류 거동을 나타냅니다. 277 mV와 − 277 mV에서의 전류를 이용하여 각 온도에서의 전류정류비를 계산하며, 정류비는 약 10 정도이다. 전류는 주어진 전압에서 온도에 따라 증가한다.

<그림>

273 K, 280 K, 310 K 및 340 K

에서 Au-ReSe2-Au 접합의 전류-전압 특성

비정상적인 수정을 담당하는 메커니즘을 탐색하기 위해 ReSe₂의 미세 구조 플레이크는 원자력 현미경[(AFM), Cypher, Oxford Instruments] 및 라만 분광계(Jovin Yvon T64000, 여기 파장 532 nm)로 검출하였다. ReSe₂의 AFM 이미지 플레이크는 그림 3a-c에 표시되며 결정된 평균 두께는 흰색 선을 따라 단면 높이 프로파일을 기준으로 28 nm입니다. 높은 신호 강도를 가진 최대 13개의 예상 라인으로 구성된 라만 스펙트럼은 Wolverson et al.에 의해 감지된 스펙트럼과 잘 일치하는 그림 3d에 나와 있습니다. [4] 현재 ReSe₂의 삼사정 구조를 밝히고 있다. 플레이크.

<사진>

아 , b , 및 c AFM 이미지와 ReSe2의 두께, d ReSe2의 라만 스펙트럼 및 결정 구조

그림 4는 ReSe₂의 SEM 이미지입니다. ReSe₂ 플레이크와 Au 나노필름은 Si 기판과 접촉하고 있습니다. ReSe₂ -Au 접점은 이전 연구[20]에서 옴 접점으로 표시되었으며 이 실험에서 정류 거동을 담당하지 않습니다. 회로는 Au-ReSe₂로 구성됩니다. -Au와 Au-ReSe₂ -Si-Au 접합. 그림 5는 회로도를 보여줍니다. Si-Au 접점은 쇼트키 접점으로 표시되었습니다[21].

<그림>

ReSe₂의 SEM 이미지 45°의 기울어진 보기에서 플레이크 및 Au 나노필름

<그림>

회로도

그림 6은 에너지 분산 분광법(EDS) 데이터를 보여줍니다. ReSe₂의 맵 합 스펙트럼 섹션 1과 2에서 획득됩니다. 평균 화학식은 ReSe_1.67입니다. ReSe₂보다 Re의 비율이 더 높습니다. ReSe₂를 제공합니다. 플레이크 p형 반도체 특성. 따라서 ReSe₂ -Si 접촉은 p-n 이종 접합이며 정류 거동을 나타냅니다. 두 정류 접점의 비대칭으로 인해 정류 동작이 발생합니다.

<그림>

ReSe₂의 EDS 데이터 이미지의 오른쪽 상단 모서리에 있습니다. 상자 1과 2는 두 개의 측정된 섹션을 나타냅니다.

전류는 쇼트키 접점과 p-n 이종접합에서 다음 방정식에 의해 결정될 수 있습니다[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)

나 ₀ 포화 전류, q 전자 요금, k 볼츠만 상수, V 접합부에 인가되는 전압, A 접촉 영역은 A입니다. ^* 유효 Richardson 상수, Ф _나 는 겉보기 장벽 높이이고 T 는 측정 온도입니다. 온도 의존적 이상 계수 n 접점이 이상적인 쇼트키 접점에서 벗어나는 수준을 나타냅니다.

식을 기반으로 한 계산 (1) 정류 거동에 대한 분석을 검토하도록 한다. ReSe₂의 해류 -시 연락처, 나 ₁ , 그리고 Si-Au 연락처, I ₂ , 는 다음과 같이 표현됩니다.

$$ {I}_1={I}_{01}{e}^{qV/{n}_1 kT}\left(1-{e}^{- qV/ kT}\right), $$(3 ) $$ {I}_2={I}_{02}{e}^{- qV/{n}_2kT}\left({e}^{qV/kT}-1\right). $$ (4)

그림 7은 수치 결과가 실험 데이터와 잘 일치함을 보여줍니다. 수치 매개변수는 표 1에 나와 있습니다. ReSe₂의 역포화 전류 -Si 접점은 ReSe₂의 접점 면적 때문에 Si-Au 접점보다 큽니다. -Si 접점은 그림 4와 같이 훨씬 더 큽니다. 두 접점의 역포화 전류는 온도에 따라 증가하여 두 접점의 전기 전도도가 Eq. (2).

<그림>

나의 비교 -V 실험 결과의 곡선과 계산된

ReSe₂의 이상 요소 -Si 접촉은 다른 접촉 조건과 결정 구조로 인해 Si-Au 접촉보다 큽니다. 그림 4는 Si 기판의 표면이 ReSe₂를 만드는 에칭 용액으로 인해 거칠다는 것을 보여줍니다. -Si 접촉 불균일. 비균질 접촉은 큰 이상 요인으로 이어집니다[24, 25]. 거친 표면은 또한 많은 수의 트래핑 상태를 생성하여 큰 이상 요인을 초래합니다[26]. 또한 서로 다른 접점 유형은 서로 다른 이상 요소를 만듭니다. ReSe₂ -Si 접촉은 p-n 이종 접합이고 ReSe₂ 및 Si는 ReSe₂에 대해 삼사정(triclinic)으로 서로 다른 결정 구조를 가지고 있습니다. 및 Si에 대한 면심 입방체. 격자 불일치는 항상 가장자리 전위로 이어지며 [27] 높은 밀도의 트랩 상태를 생성하여 [26] ReSe₂를 만듭니다. -Si접점은 이상접점에서 벗어나 이상계수가 크다[27]. Si-Au는 금속 반도체 접점이며 Si의 결정 구조는 이상 인자에 거의 영향을 미치지 않습니다. 두 접점의 이상 요소는 온도에 따라 거의 변하지 않습니다. 식으로 설명할 수 있다. (5) Khurelbaatar et al. [28],

$$ n=\frac{q}{kT}\frac{dV}{d\ln I}. $$ (5)

식 (5)는 이상계수가 온도에 반비례함을 보여준다. 이상계수는 온도가 낮을 때만 온도에 따라 크게 감소하고 온도가 300 K 이상일 때는 천천히 변한다[28, 29]. 그러나 <표 1>과 같이 역포화전류는 이상계수와 다른 온도에 따라 크게 증가한다. 식으로 설명할 수 있다. (2). 식에 따르면 (2) 역포화 전류는 T 때문에 온도에 따라 증가합니다. ² 및 exp(− q Φ_B /kT ) 온도에 따라 증가합니다. exp(− q) 사이의 지수 관계로 인해 Φ_B /kT ) 및 − qΦ_B /kT, exp(− q Φ_B /kT ) 온도에 따라 크게 증가합니다. Zhu et al [30], q의 연구에 기반 Φ_B 273 K와 295 K에서의 실험에서 Au/Si 접점의 값은 각각 0.77 eV와 0.79 eV입니다. 계산된 결과는 295 K에서의 역포화 전류가 273 K에서의 역포화 전류의 6배임을 보여주므로 역포화 전류가 온도에 따라 크게 증가하는 이유를 설명합니다.

결론

결론적으로 ReSe₂ 상이한 온도에서 Au 기판과 Au 나노필름에 걸쳐 부유하는 플레이크. 일시 중단된 ReSe₂의 SEM 이미지 45°의 비스듬한 보기에서 플레이크는 ReSe₂ 플레이크와 Au 나노필름은 Si 기판과 접촉하고 있으며 EDS 맵은 원소 조성을 보여줍니다. ReSe_1.67 . ReSe₂ 간의 접촉 플레이크 및 Si 기판은 정류 거동을 담당합니다. ReSe₂ -Si 및 Si-Au 접점은 모두 다른 회로를 형성하는 정류 접점이며 두 접점의 비대칭으로 인해 명백한 정류 동작이 발생합니다. Si-Au 쇼트키 접점을 고려한 쇼트키 전류 방정식을 기반으로 계산된 결과와 ReSe₂ -Si p-n heterojunction은 실험 결과와 잘 일치합니다.

약어

2D:: 2차원
AFM:: 원자력 현미경
EDS:: 에너지 분산 분광법
FET:: 전계 효과 트랜지스터
PMMA:: 폴리메틸메타크릴레이트
SEM:: 주사 전자 현미경
TMD:: 전이금속 디칼코게나이드

기계적으로 박리된 β-Ga2O3 박막에 대한 Mo/Au 쇼트키 접촉의 실험 및 이론 연구 UDMH를 활용하는 GaP(N) 나노와이어의 VLS 성장에 대한 N 통합의 영향

나노물질