CN113759150B - 一种电场耦合下kpfm原位测试二维材料异质结电学性能的方法 - Google Patents
一种电场耦合下kpfm原位测试二维材料异质结电学性能的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113759150B CN113759150B CN202111058085.5A CN202111058085A CN113759150B CN 113759150 B CN113759150 B CN 113759150B CN 202111058085 A CN202111058085 A CN 202111058085A CN 113759150 B CN113759150 B CN 113759150B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- dimensional material
- heterojunction
- electric field
- situ
- kpfm
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 55
- 230000005684 electric field Effects 0.000 title claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 11
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 238000004654 kelvin probe force microscopy Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 14
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims abstract description 4
- XCJYREBRNVKWGJ-UHFFFAOYSA-N copper(II) phthalocyanine Chemical compound [Cu+2].C12=CC=CC=C2C(N=C2[N-]C(C3=CC=CC=C32)=N2)=NC1=NC([C]1C=CC=CC1=1)=NC=1N=C1[C]3C=CC=CC3=C2[N-]1 XCJYREBRNVKWGJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910003090 WSe2 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052961 molybdenite Inorganic materials 0.000 claims description 4
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910016021 MoTe2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 abstract description 12
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 3
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 7
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 7
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 6
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 description 6
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 6
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 239000002055 nanoplate Substances 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- FJAOBQORBYMRNO-UHFFFAOYSA-N f16cupc Chemical compound [Cu+2].[N-]1C(N=C2C3=C(F)C(F)=C(F)C(F)=C3C(N=C3C4=C(F)C(F)=C(F)C(F)=C4C(=N4)[N-]3)=N2)=C(C(F)=C(F)C(F)=C2F)C2=C1N=C1C2=C(F)C(F)=C(F)C(F)=C2C4=N1 FJAOBQORBYMRNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/30—Scanning potential microscopy
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
Abstract
一种电场耦合下KPFM原位测试二维材料异质结电学性能的方法，属于扫描探针显微镜成像领域。所述方法具体为：在带有300nm氧化层的硅片基底上利用热蒸镀的方法制备两个Cr/Au电极，两个电极之间的距离为5‑30um；通过键合机将金线与Cr/Au电极相连，随后金线直接与外接源表连接，利用外接源表对二维材料异质结施加直流电压，在外加电场的作用下利用扫描探针显微镜原位观察二维材料及其异质结构的形貌及其电学特性。本发明构筑了二维材料异质结构的器件，通过外接源表，原位测试二维材料及其异质结构在电场调控下其形貌与电学性能的变化，对理解分析二维材料异质结界面处能带排列及界面处的电荷转移机制具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于扫描探针显微镜成像领域，具体涉及一种电场耦合下KPFM原位测试二维材料异质结电学性能的方法。
背景技术
二维材料异质结是由两种及以上二维材料堆垛而成，层间由范德华力结合，在电学与光电器件领域具有潜在的应用前景，其中，异质结界面处的电荷转移、能带排列等对器件的性能起到至关重要的作用。常用的电学测量方法，如转移、输出曲线等，仅能反应器件宏观的电学性质，如电导率、载流子迁移率、载流子浓度等，而无法揭示纳米尺度分辨率下异质结器件的电学特性，特别是电荷与电势分布、界面处电荷转移与能带弯曲等。商用的开尔文探针显微镜能够表征纳米尺度分辨下材料的电荷与电势分布，而无法实现对器件界面处能带弯曲、电荷转移等性质的测量。所以，为了更深入的揭示二维材料异质结器件界面特性及器件物理，亟需将开尔文探针显微镜与器件进行耦合，通过给器件施加电场，利用开尔文探针显微镜表征界面处电荷转移、电势分布及能带排列。
开尔文探针显微镜在测试二维材料及其异质结构的形貌及与形貌有关的电学特性中发挥着重要的作用，能够表征二维材料及其异质结构的电学特性，但是利用扫描探针显微镜仅能揭示二维材料及其异质结构本征的一些电学特性，如功函数，无法有效的揭示异质结界面处能带排列、电荷转移机制等；导致对二维材料异质结器件物理的认识相对匮乏。
发明内容
本发明旨在解决现有开尔文探针显微镜只能测试二维材料异质结构本征的一些电学特性(如功函数)，不能原位测试异质结器件在电场作用下界面处的电荷转移、能带排列、电势分布等问题，提供一种电场耦合下KPFM原位测试二维材料异质结电学性能的方法，通过外接源表对二维材料及其异质结构施加栅极及源漏电压，在外加电场调制的作用下通过开尔文探针显微镜原位测试器件界面处电学特性的变化，如电荷与电势分布、能带弯曲、电荷转移等，对进一步揭示其电场调制下的结构及性能变化具有重要的指导意义；同时，利用源表也能测量器件宏观的电学性质。结合两者，能够更加清晰的认识二维材料及其异质结构器件物理，弥补原有仪器只能表征器件本征的电学性能的不足。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种电场耦合下KPFM原位测试二维材料异质结电学性能的方法，所述方法具体为：
步骤一：器件制备：在带有300nm氧化层的硅片(Si/SiO2)基底上利用热蒸镀的方法制备两个Cr/Au电极，两个电极之间的距离为5-30um；
步骤二：通过键合机将金线与Cr/Au电极相连，随后金线直接与外接源表连接，其示意图如图5所示。利用外接源表对二维材料异质结施加直流电压(±60V以内，任意数值的电压均可施加)，在外加电场的作用下利用扫描探针显微镜原位观察二维材料及其异质结构的形貌及其电学特性。
进一步地，步骤一中，所述Cr/Au电极为先镀一层5nm厚的Cr，再镀一层40nm厚的Au，以保证二维材料与金属电极的电接触良好，有利于施加电压后，电荷能有效地从电极注入到二维材料中。
进一步地，步骤二中，所述二维材料异质结器件为MoS2/石墨烯、MoS2/WSe2、InSe/WSe2、MoTe2/MoS2、F16CuPc/GeAs中的一种。
进一步地，步骤二中，对二维材料异质结在Ar环境下200℃退火处理2h。
本发明相对于现有技术的有益效果为：本发明构筑了二维材料异质结构的器件，通过外接源表，原位测试二维材料及其异质结构在电场调控下其形貌与电学性能的变化，对理解分析二维材料异质结界面处能带排列及界面处的电荷转移机制具有重要的意义。
附图说明
图1为PDMS上少层MoTe2的光学照片。
图2为PDMS上少层MoS2的光学照片。
图3为退火前氧化硅基底上MoTe2/MoS2器件的光学照片。
图4为退火后氧化硅基底上MoTe2/MoS2器件的光学照片。
图5为器件及AFM测量示意图。
图6为源表-试样连接后在原子力下测试的照片。
图7为源漏偏压Vds＝-4V时不同栅压下的表面电势图。
图8为源漏偏压Vds＝-4V时不同栅压下归一化的表面电势图。
图9为源漏偏压Vds＝4V时不同栅压下的表面电势图。
图10为源漏偏压Vds＝4V时不同栅压下归一化的表面电势图。
图11为二维F16CuPc/GeAs异质结器件的光学照片。
图12为源漏偏压Vds＝9V时F16CuPc/GeAs异质结器件不同栅压下表面电势图。
图13为源漏偏压Vds＝-7V时F16CuPc/GeAs异质结器件不同栅压下表面电势图。
其中，1-Si/SiO2基底，2-Cr/Au电极，3-金线，4-二维异质结，5-源表。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
一种电场耦合下KPFM原位测试二维材料异质结电学性能的方法，所述方法具体为：
步骤一、通过机械剥离方法在PDMS上制备MoS2纳米片，通过光学显微镜选择合适厚度(厚度在0.65-10nm之间)的纳米片备用，如图1所示；
机械剥离是用镊子取一块块体的二维材料，将块体材料放置胶带表面，反复对折按压，再通过干净蓝膜胶带对上一片沾有块体材料的胶带进行对粘，目的是对二维块体材料进一步减薄。
步骤二、通过机械剥离方法将另一种二维纳米片层MoTe2转移至新的PDMS上，然后通过光学显微镜选择合适厚度的纳米片(厚度在1-10nm之间)，如图2所示；
机械剥离是用镊子取另一种块体二维材料，将块体材料放置蓝膜胶带表面，反复对折按压，再通过干净蓝膜胶带对上一片沾有块体材料的蓝膜胶带进行对粘，目的是对二位块体材料进一步减薄。将减薄好的二维材料粘在贴有PDMS薄膜的载玻片上，这样就在PDMS上制备处不同厚度的二维纳米片。
步骤三、器件制备：在带有300nm氧化层的硅片(Si/SiO2)基底上利用热蒸镀的方法制备两个Cr/Au电极(先镀一层5nm厚的Cr，再镀一层40nm厚的Au)，两个电极之间的沟道宽度为5-30μm，随后通过光学转移平台将步骤二中的纳米片转移至步骤一中的纳米片上，形成有两种纳米片组成的异质结器件，如图3所示。随后对器件在Ar环境下进行退火(200℃、2h)，使得异质结界面处结合更加紧密，如图4所示。
步骤四、通过键合机将金线与Cr/Au电极相连，随后金线直接与外接源表连接，其示意图如图5所示。利用外接源表对二维材料异质结器件施加直流电压(±60V以内)，在外加电场的作用下利用扫描探针显微镜原位观察二维材料及其异质结构的形貌及其电学特性。图6为实际测量过程中AFM设备及器件的照片。图7-10为不同栅极电场及源漏电场下异质结器件的电势分布及电荷转移。
实施例2：
本实施例与实施例1不同的是制备的是F16CuPc/GeAs器件，测试结果如图11-13所述。
Claims (4)
1.一种KPFM原位测试电场耦合下二维材料异质结电学性能的方法，其特征在于：所述方法具体为：
步骤一：器件制备：将二维材料异质结构利用干法转移至在带有300nm氧化层的硅片(Si/SiO2)基底上，利用硬掩膜和热蒸镀的方法在异质结两端制备Cr/Au电极，两个电极之间的距离为5-30um；
步骤二：通过键合机将金线与Cr/Au电极相连，随后金线直接与外接源表连接，利用外接源表对二维材料异质结施加源漏偏压和栅极电压，利用开尔文扫描探针显微镜原位观察二维材料及其异质结构的形貌及其在外加电场的作用下的电学特性。
2.根据权利要求1所述的一种KPFM原位测试电场耦合下二维材料异质结电学性能的方法，其特征在于：步骤一中，所述Cr/Au电极为先镀一层5nm厚的Cr，再镀一层40nm厚的Au。
3.根据权利要求1所述的一种KPFM原位测试电场耦合下二维材料异质结电学性能的方法，其特征在于：步骤二中，所述二维材料异质结器件为MoS2/石墨烯、MoS2/WSe2、InSe/WSe2、MoTe2/MoS2、F16CuPc/GeAs中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种KPFM原位测试电场耦合下二维材料异质结电学性能的方法，其特征在于：步骤二中，对二维材料异质结在Ar环境下200℃退火处理2h。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111058085.5A CN113759150B (zh) | 2021-09-09 | 2021-09-09 | 一种电场耦合下kpfm原位测试二维材料异质结电学性能的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111058085.5A CN113759150B (zh) | 2021-09-09 | 2021-09-09 | 一种电场耦合下kpfm原位测试二维材料异质结电学性能的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113759150A CN113759150A (zh) | 2021-12-07 |
| CN113759150B true CN113759150B (zh) | 2024-05-28 |
Family
ID=78794508
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111058085.5A Active CN113759150B (zh) | 2021-09-09 | 2021-09-09 | 一种电场耦合下kpfm原位测试二维材料异质结电学性能的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113759150B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115295675B (zh) * | 2022-08-18 | 2023-03-24 | 之江实验室 | 一种基于二维材料Te/MoS2异质结的光探测器的制备方法 |
| CN115684654B (zh) * | 2022-10-31 | 2023-10-03 | 哈尔滨工业大学 | 一种准确测量双电层电势分布的方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014049661A (ja) * | 2012-08-31 | 2014-03-17 | Ehime Univ | 半導体量子素子 |
| CN104835521A (zh) * | 2015-03-22 | 2015-08-12 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 基于BiFeO3和Au薄膜异质结构的信息存储装置 |
| CN108802431A (zh) * | 2017-05-04 | 2018-11-13 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种具有磁-电信号探测功能的扫描探针显微镜的探测方法 |
| CN110993703A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-04-10 | 中国科学院金属研究所 | 一种GaN／MoS2二维范德华异质结光电探测器及其制备方法 |
| CN113213454A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-08-06 | 温州大学 | 以石墨烯为催化剂制备单壁碳纳米管的方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050208304A1 (en) * | 2003-02-21 | 2005-09-22 | California Institute Of Technology | Coatings for carbon nanotubes |
| US7193424B2 (en) * | 2004-06-07 | 2007-03-20 | National Applied Research Laboratories | Electrical scanning probe microscope apparatus |
| DE102006013588A1 (de) * | 2006-03-22 | 2007-09-27 | Fachhochschule Deggendorf | Zweidimensinale Profilierung von Dotierungsprofilen einer Materialprobe mittels Rastersondenmikroskopie |
| EP2828894A1 (en) * | 2012-03-22 | 2015-01-28 | The University Of Manchester | Photovoltaic cells |
| US11309446B2 (en) * | 2018-06-08 | 2022-04-19 | EWHA University—Industry Collaboration Foundation | Resistive switching element and photovoltaic device including the same |
-
2021
- 2021-09-09 CN CN202111058085.5A patent/CN113759150B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014049661A (ja) * | 2012-08-31 | 2014-03-17 | Ehime Univ | 半導体量子素子 |
| CN104835521A (zh) * | 2015-03-22 | 2015-08-12 | 中国人民解放军国防科学技术大学 | 基于BiFeO3和Au薄膜异质结构的信息存储装置 |
| CN108802431A (zh) * | 2017-05-04 | 2018-11-13 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种具有磁-电信号探测功能的扫描探针显微镜的探测方法 |
| CN110993703A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-04-10 | 中国科学院金属研究所 | 一种GaN／MoS2二维范德华异质结光电探测器及其制备方法 |
| CN113213454A (zh) * | 2021-04-21 | 2021-08-06 | 温州大学 | 以石墨烯为催化剂制备单壁碳纳米管的方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 雷清泉.《雷清泉文集》.冶金工业出版社,2017,第34-39页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113759150A (zh) | 2021-12-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113759150B (zh) | 一种电场耦合下kpfm原位测试二维材料异质结电学性能的方法 | |
| CN107464847A (zh) | 基于碱金属溶液掺杂的二硫化钼晶体管及制备方法 | |
| Zhu et al. | 2D Indium Phosphorus Sulfide (In2P3S9): An Emerging van der Waals High‐k Dielectrics | |
| CN115662904A (zh) | 以氧化黑磷介电层为顶栅的黑磷场效应晶体管的制备方法 | |
| Chou et al. | High-performance monolayer WSe2 p/n FETs via antimony-platinum modulated contact technology towards 2D CMOS electronics | |
| TW200522351A (en) | Field effect transistor using insulator-semiconductor transition material layer as channel material and method of manufacturing the same | |
| CN108987483B (zh) | 一种MoTe2场效应晶体管及其制备方法和应用 | |
| Ko et al. | Ultrathin Gate Dielectric Enabled by Nanofog Aluminum Oxide on Monolayer MoS 2 | |
| CN112151403A (zh) | 基于无结型晶体管的表征方法 | |
| Ruiz et al. | Exploiting the KPFM capabilities to analyze at the nanoscale the impact of electrical stresses on OTFTs properties | |
| CN113707560B (zh) | 一种插入二维半导体硒化铟纳米片改善二维过渡金属硫族化合物电接触的方法 | |
| Xue et al. | Fabrication and characteristics of back-gate black phosphorus effect field transistors based on PET flexible substrate | |
| CN113224143B (zh) | 基于二硫化钨/锑化镓结型场效应晶体管及其制备方法 | |
| Martin et al. | Ultra-flat coplanar electrodes for controlled electrical contact of molecular films | |
| Hao et al. | A universal calibration method for eliminating topography-dependent current in conductive AFM and its application in nanoscale imaging | |
| Ogata et al. | Microscopic Evaluation of Al2O3/p-Type Diamond (111) Interfaces Using Scanning Nonlinear Dielectric Microscopy | |
| Tan et al. | Control and enhancement of graphene sensitivity by engineering edge defects | |
| CN117246974A (zh) | 一种制作二维材料电子器件的方法及二维材料电子器件 | |
| KC | Fabrication of Two-Dimensional Material-based Nano-Capacitors using Bismuth Selenite (Bi2SeO5) to Study its Dielectric Properties | |
| KR20060001987A (ko) | 에스오아이 나노선 트랜지스터 및 그의 측정 방법 | |
| Wu et al. | Nanoscale bias-annealing effect in postirradiated thin silicon dioxide films observed by conductive atomic force microscopy | |
| Sakuragi | Electronic Transport Properties in Single-layer CVD graphene | |
| Zhao | Electronic devices based on semiconducting transition metal dichalcogenides | |
| Rispal et al. | Self-aligned fabrication process based on sacrificial catalyst for Pd-contacted carbon nanotube field-effect transistors | |
| Gao et al. | Residue-free wafer-scale direct imprinting of two-dimensional materials |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |