CN115684654A

CN115684654A - 一种准确测量双电层电势分布的方法

Info

Publication number: CN115684654A
Application number: CN202211350209.1A
Authority: CN
Inventors: 李洋; 胡鑫; 赵守鑫; 徐成彦; 甄良
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2042-10-31
Also published as: CN115684654B

Abstract

一种准确测量双电层电势分布的方法，属于界面特性调控领域，涉及固态电解质基底和二维材料双电层器件，结合开尔文探针力显微镜的表面电势测量方法调控表征双电层界面特性。本发明是要解决现有的离子双电层器件界面不清晰，无法阐述微观纳米尺度下双电层结构、离子迁移的运行规律的技术问题。本发明通过调节固态电解质基底材料的栅极电势调节界面双电层电场，以开尔文探针力显微镜测试二维材料表面电势分布，获得随双电层界面电场变化趋势。本发明以固态电解质为依托暴露双电层界面，结合开尔文探针力显微镜实现在微纳米尺度下对双电层结构以及电势分布的准确表征。

Description

一种准确测量双电层电势分布的方法

技术领域

本发明属于界面特性调控领域，涉及固态电解质基底和二维材料双电层器件，结合开尔文探针力显微镜的表面电势测量方法调控表征双电层界面特性。

背景技术

双电层具有极高的灵敏度和栅极调控能力，该类型器件呈现出优越的场调制特性，如双极性、极低亚阈值摆幅和阈值偏压、极高的开关闭和开态电流，是低功耗高性能场效应晶体管的理想构型。二维材料特殊的尺寸和可调节的物化性质是研究双电层结构的理想材料，其中过渡金属硫族化合物具有可调节的带隙结构和良好的物化性质，过渡金属硫族化合物双电层器件具有极好的电学输运性质、超导转变、相变等新颖的物理现象。双电层是二维材料双电层器件的重要组成部分。阐明电场作用下界面处离子的迁移、扩散、定向排布过程对二维材料的电子结构及物性以及功能器件性能的影响，有利于深入理解纳米尺度下双电层微观机理。但是，离子液体和溶胶覆盖了器件表面，限制表面分析手段应用，无法揭示微观纳米尺度下内在属性和结构特性。

固态电解质是一类具有高迁移率和高稳定型的新型电解质材料，所构筑二维材料/固态电解质器件结构搭建过程简单和化学性质稳定的优势可有效弥补液态电解质器件弊端，为表面技术手段(如扫描探针显微技术、近场光谱技术)提供理想平台，在高的空间分辨率下揭示双电层界面特性。

发明内容

本发明是要解决现有的离子双电层器件界面不清晰，无法阐述微观纳米尺度下双电层结构、离子迁移的运行规律的技术问题，而提供一种准确测量双电层电势分布的方法。

本发明的准确测量双电层电势分布的方法是按以下步骤进行的：

将固态电解质作为基底材料构筑二维材料双电层器件，通过对固态电解质施加不同的栅极电压调节双电层界面电场强度和分布，以开尔文探针力显微镜表征二维材料表面电势分布和双电层电场变化。

本发明所构筑的二维材料/固态电解质双电层器件为表面分析技术手段应用提供平台，充分阐述了双电层界面电势分布情况，具体如下：

1、本发明对固态电解质施加不同的栅极偏置电压，二维材料表面电势分布十分均匀，可见双电层界面处离子分布均匀，该方式充分暴露了双电层界面，在微观尺度下可实现对双电层界面离子分布的调控；

2、本发明通过对固态电解质施加不同的栅极电压调节界面离子迁移和双电层电场强度，当所施加的栅极电压从-1V变化至1V时，二维材料单层硒化物表面电势变化为0.7V，可见固态电解质对薄层硒化钨具有高效的栅极调控能力；

3、本发明通过机械剥离获得不同厚度的硒化钨纳米片，对固态电解质施加不同大小的栅极电压；对于同一厚度的硒化钨纳米片，栅极电压变化和硒化钨纳米片表面电势变化呈正相关；对不同层数的硒化钨纳米片，在相同电压条件下硒化钨纳米片表面电势呈负相关，且当硒化钨纳米片达到一定厚度之后表现出电场屏蔽；

4、本发明所使用的器件构型和测试手段在纳米尺度下准确表征双电层界面电势分布情况，阐述双电层界面处离子、电子迁移和运动规律，本结构和理念巧妙克服传统双电层器件的弊端，为双电层界面物化性质的探究提供理想平台。

本发明引入新型固态电解质，该类型双电层器件有效暴露双电层表面界面，结合表面表征手段开尔文探针力显微镜表征二维材料表面电势变化，提供了一种简便、准确、可清晰地阐述双电层运行和界面电势分布的方法。

附图说明

图1为试验一中双电层器件的示意图，1为Au电极，2为WSe₂，3为LASPT，4为2612源表；

图2为试验一中双电层器件的硒化钨纳米片双电层器件原子力显微镜照片；

图3为图2对应的硒化钨纳米片双电层器件不同栅极电压下的表面电势分布图；

图4为图2对应的硒化钨纳米片双电层器件不同栅极电压下的表面电势变化折线图；

图5为图2对应的不同厚度硒化钨纳米片双电层器件表面电势变化折线图；

图6为图2对应硒化钨纳米片双电层器件界面离子分布示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种准确测量双电层电势分布的方法，具体是按以下步骤进行的：

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：通过调节固态电解质栅极电压来调制界面双电层电场，从而调节二维材料双电层器件中的二维材料表面电势分布。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的固态电解质为氟化镧固态电解质(LaF₃)、钠玻璃固态电解质或锂离子导电陶瓷玻璃(Li₂Al₂SiPTiO₁₃，LASPT)。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的二维材料为过渡金属硫族化合物。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述的过渡金属硫族化合物为WSe₂。其他与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述的WSe₂厚度为单层至十层。其他与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：开尔文探针力显微镜表征二维材料表面电势的测试过程在室温和大气压条件下进行，测量模块为AM-KPFM模式，固态电解质施加电压范围为-2V～6V。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述的测量模块为TP-KPFM-AM模式，固态电解质施加电压范围为-1V～1V。其他与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的二维材料双电层器件中金属电极采用真空蒸镀或磁控溅射镀膜方法制备，再通过直接沉积或干法转移的方式与二维材料相接触。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的二维材料是通过机械剥离相应材料单晶、气相沉积法或分子束外延方法制备的。其他与具体实施方式一相同。

用以下试验对本发明进行验证：

试验一：本试验为一种二维材料/固态电解质双电层器件构筑方法，具体是按照以下步骤进行：

一、衬底处理方法：依次用丙酮和无水乙醇超声清洗固态电解质(Li₂Al₂SiP₂TiO₁₃，锂离子导电陶瓷玻璃)，然后使用洁净金刚石玻璃刀将固态电解质切割为5cm×5cm，用高纯氮气枪除去表面残留碎屑，最后采用硬掩模方式粘贴混目铜网，得到衬底；

二、真空热蒸镀法制备Au电极：

使用型号为ZHD-400的高真空双源电阻蒸发仪蒸镀Cr/Au电极：将高纯镀铬钨丝夹持于蒸发源A上，高纯金丝置于蒸发源B钼舟上，将步骤一得到的衬底倒扣于蒸发源正上方样品台上，随后以

的蒸镀速率，分别蒸镀Cr(2nm)、Au(50nm)电极(真空度为1×10^-4Pa以下)，最后取下混目铜网；

三、机械剥离方法制备少层二维材料：使3M Scotch胶带轻轻接触硒化钨块体材料，分离后反复折叠胶带至胶带上均匀沾满样品，再另取胶带进一步均匀减薄胶带上块体材料至适宜厚度，然后使沾满样品的胶带接触PDMS并轻轻按压，撕开胶带后，比对光学显微镜，获得目标厚度单层或少层硒化钨纳米片；

四、干法转移：使用转移台干法转移二维材料：将步骤三中载有二维材料的PDMS置于干净载玻片表面，将目标衬底吸附在下方样品台上，载玻片倒扣夹持固定目标衬底正上方；根据光学显微镜对准Au电极和二维材料相对位置，推进载玻片缓慢靠近直至完全接触目标衬底，加热样品台温度至60℃并保持30s，抬起载玻片完成干法转移；

五、双电层器件电极结构设计：将固态电解质负载有硒化钨纳米片的一面朝上，衬底的下面涂覆导电银浆黏附于PCB电极板上作为栅极，以键合金丝为导线，一端粘取适量导电银浆并轻轻涂覆于硒化钨金电极表面，一端粘取适量导电银浆涂覆于PCB模板上，作为接地电极，以导电铜丝将PCB板电极引出并与2612源表相接，实验过程中通过2612源表调节偏置电压。

用以下方式对试验一进行验证，具体过程如下：

使用开尔文探针力显微镜测试二维材料表面电势，二维材料实际表面电势为V_sample，探针实际电势为V_tip，开尔文探针显微镜二维材料表面电势实测数值为V_CPD，存在如公式所述关系，V_CPD，sample＝V_sample-V_tip,V_CPD，Au＝V_Au-V_tip，较准探针电势，由于金电极表面电势恒定，在所获得的表面电势测试结果中，对比器件中二维材料和金属电极之间的电势差值ΔV_CPD可得二维材料表面电势变化量，其中ΔV_CPD＝V_CPD,sample-V_CPD,Au。

测试条件为TP-KPFM-AM模式。

用开尔文探针力显微镜表征试验一组装的双电层器件，测试电压为0V，获得器件原子力显微镜高度分布图，如图2所示，从图中高度分布图可以判断出，从图2右上到左下虚线框内硒化钨纳米片为单层、双层及多层(～10层)。

对试验一组装的双电层器件界面电势分布进行测试：机械剥离不同厚度的硒化钨纳米片，且以0.3V步长调节栅极偏置电压，获得图3，从图中可以看出硒化钨纳米片表面电势分布十分均匀，可见界面处离子分布十分均匀。

对试验一组装的双电层器件中栅极调控能力测试：测试当栅极电压从-1V变化至1V条件下，器件表面电势变化。得到图4和图5，图4中的横坐标对应图3中-1V中横虚线的位置，从图4中可以看出当偏置电压从-1V变化至1V时，对于单层硒化钨，同一位置下硒化钨表面电势随栅极电压发生显著变化，根据公式提取单层硒化钨表面电势变化量，可见单层硒化钨表面电势变化量达0.7V，说明固态栅极具有良好的栅极调控能力。

提取不同栅极偏置电压条件下硒化钨纳米片表面电势变化，获得图5，可见随硒化钨纳米片变厚，相同条件下表面电势变化量逐渐减小，说明硒化钨纳米片对双电层界面存在一定的介电屏蔽，获得图6界面离子分布示意图。

Claims

1.一种准确测量双电层电势分布的方法，其特征在于准确测量双电层电势分布的方法是按以下步骤进行的：

2.根据权利要求1所述的一种准确测量双电层电势分布的方法，其特征在于通过调节固态电解质栅极电压来调制界面双电层电场，从而调节二维材料双电层器件中的二维材料表面电势分布。

3.根据权利要求1所述的一种准确测量双电层电势分布的方法，其特征在于所述的固态电解质为氟化镧固态电解质、钠玻璃固态电解质或锂离子导电陶瓷玻璃。

4.根据权利要求1所述的一种准确测量双电层电势分布的方法，其特征在于所述的二维材料为过渡金属硫族化合物。

5.根据权利要求4所述的一种准确测量双电层电势分布的方法，其特征在于所述的过渡金属硫族化合物为WSe₂。

6.根据权利要求5所述的一种准确测量双电层电势分布的方法，其特征在于所述的WSe₂厚度为单层至十层。

7.根据权利要求1所述的一种准确测量双电层电势分布的方法，其特征在于开尔文探针力显微镜表征二维材料表面电势的测试过程在室温和大气压条件下进行，测量模块为AM-KPFM模式，固态电解质施加电压范围为-2V～6V。

8.根据权利要求7所述的一种准确测量双电层电势分布的方法，其特征在于所述的测量模块为TP-KPFM-AM模式，固态电解质施加电压范围为-1V～1V。

9.根据权利要求1所述的一种准确测量双电层电势分布的方法，其特征在于所述的二维材料双电层器件中金属电极采用真空蒸镀或磁控溅射镀膜方法制备，再通过直接沉积或干法转移的方式与二维材料相接触。

10.根据权利要求1所述的一种准确测量双电层电势分布的方法，其特征在于所述的二维材料是通过机械剥离相应材料单晶、气相沉积法或分子束外延方法制备的。