Анализ поверхностного потенциала двумерных материалов посредством приложения обратного напряжения смещения

НОЯ032021

Введение

Двумерные (2D) материалы, в том числе полуметаллический графен, полупроводниковые дихалькогениды переходных металлов (TMD) и изолирующий гексагональный нитрид бора (hBN), в последние годы изучались как инновационные с электрической или фотонной точки зрения материалы. Среди различных применяемых электронных устройств, с конкретной точки зрения запоминающих устройств, энергонезависимые транзисторы с плавающим затвором широко исследуются для высокопроизводительных устройств хранения информации [1, 2]. Более того, были широко исследованы ван-дер-ваальсовы (vdW) гетероструктуры из 2D-материалов для искусственных синаптических эмуляторов для нейроморфных вычислительных систем [2, 3]. В этом отношении типичные двумерные запоминающие устройства с плавающим затвором на основе материалов состоят из TMD, hBN и графена в качестве полупроводника, туннельного барьера и плавающего затвора, соответственно. Кроме того, очень важно понимать примитивные факторы, которые влияют на поведение захвата или освобождения заряда в глубокой потенциальной яме. Поэтому всестороннее исследование свойств 2D-материала на энергетических уровнях является обязательным для демонстрации быстрых и маломощных флэш-ПЗУ устройств.

Для этого была приготовлена ​​структура памяти с плавающим затвором из механически расслоенного тонкого MoS2, гексагонального нитрида бора (hBN) и многослойного графена (MLG). После этого мы исследовали работу выхода соответствующих слоев в зависимости от приложенных обратных напряжений смещения, используя силовую микроскопию с зондом Кельвина (KPFM).

Материалы и методы анализа

Процесс переноса 2D-материалов

Тонкие слои каждого 2D-материала (MoS₂, hBN и MLG) отслаивались на прямоугольный фрагмент отвержденного полидиметилсилоксана (PDMS) механическим отслаиванием с помощью скотча [4]. Затем расслоенные 2D-материалы медленно переносились на подложку SiO₂/p++Si в порядке стэкинга MoS₂/hBN/MLG. Во время процесса переноса двумерные тонкие слои на PDMS были точно выровнены с предполагаемым положением на рабочей подложке с помощью микроманипулятора, а затем были приведены в контакт.

KPFM измерения с обратным напряжением смещения

Измерения проводились с помощью атомно-силового микроскопа модели NX10 компании Park Systems при комнатной температуре на воздухе. В качестве токопроводящего зонда использовался кантилевер с покрытием из золота с подслоем хрома на кремниевом материале n-типа (Mikromash corp., жесткость пружины: k = 1 Н/м, резонансная частота: f = 90 кГц). Во время наблюдения данных поверхностного потенциала на проводящий зонд подавали переменное напряжение смещения с амплитудой ≈2 В и частотой 17 кГц. Поверхностный потенциал был получен путем подачи постоянного напряжения смещения обратной связи (V_DC) с синхронным усилителем для компенсации электростатической силы между кантилевером, покрытым золотом, и образцом, создаваемым переменным напряжением (V_AC), приложенным к зонду [5, 6]. Чтобы исследовать влияние обратного напряжения смещения (V_BG) во время KPFM анализа, мы наблюдали изменения поверхностного потенциала при сохранении постоянного напряжения смещения V_BG путем последовательного приложения V_BG напряжений 0 В или 40 В. Данные морфологии и поверхностного потенциала были проанализированы с использованием программного обеспечения XEI от Park Systems для извлечения числовой информации из измеренных картографических изображений.

Результаты

Для изготовления многослойных 2D-гетероструктур, тонкие слои MLG, hBN и MoS₂ были последовательно перенесены на подложку SiO2/p++Si, как показано на рис. 1а. Перенесенные слои MLG, hBN и MoS₂ используются для выполнения функций полуметалла, изолятора с широкой запрещенной зоной и полупроводника соответственно. Многослойные гетерослои были исследованы с помощью KPFM метода с приложенным напряжением V_BG для изучения отклонений поверхностного потенциала каждого 2D-слоя в зависимости от величины обратного напряжения смещения, как показано на рис. 1б. В этой системе уровни Ферми или рабочие функции могут изменяться под действием обратного напряжения смещения.

Рис. 1. а) Оптические изображения с микроскопа процесса переноса для 2D-гетероструктур vdW (MoS₂/hBN/MLG); б) Типовая схема KPFM установки с приложенным напряжением V_BG для 2D-материалов на подложке SiO2/Si. Масштабный отрезок на рис. слева: 20 мкм.

Многослойная гетероструктура была успешно построена, что было обнаружено с помощью оптической микроскопии и представлено на рис. 2а. Поверхности слоев оставались в значительной степени незагрязненными во время процесса переноса, так что топографическая и электрическая информация не пострадала.

Из профиля высоты структуры, полученного вдоль синей пунктирной линии сечения, обозначенной на морфологическом изображении АСМ, можно рассчитать толщину MoS₂, hBN и MLG: были получены приблизительные значения 6.9 нм, 60.5 нм и 12.0 нм, соответственно. Общая структура стэка с каждым значением толщины для трех слоев представлена на рис. 2г.

Рис. 2. а) Оптическое изображение гетероструктуры MoS₂/hBN/MLG, масштабный отрезок: 10 мкм;
б) Изображение топографии поверхности гетероструктуры, масштабный отрезок: 5 мкм;

в) Профиль высоты структуры при линейном сканировании вдоль синей пунктирной линии сечения, обозначенной на рис. б);

г) Стэк многослойной гетероструктуры на подложке SiO₂ с соответствующими значениями толщины, измеренными для высоты профиля в).

Чтобы проверить различное поведение запоминающих устройств с плавающим затвором на основе MoS₂, мы измерили поверхностные потенциалы и работу выхода MoS₂, hBN и MLG с помощью KPFM метода, в котором прикладывается обратное напряжение смещения V_BG (см. рис. 3а, 3б, 3г, 3д).

Измерения KPFM дали контактную разность потенциалов (V_CPD) между зондом АСМ с золотым покрытием и образцом, а затем мы получили следующее соотношение (1):

, где WF_sample и WF_tip – работа выхода образца и зонда соответственно, а e – заряд электрона.

Поскольку данная vdW-гетероструктура «плавает» на подложке SiO₂, мы использовали контактный потенциал и работу выхода MLG в качестве стандартных точек. В результате, контактный потенциал или различия работы выхода между различными слоями с мультистэком и MLG могут быть описаны в виде приведенных ниже уравнений.

• Для hBN/MLG стэк-слоев уравнения (2) и (3), соответственно:

• Для MoS2/hBN/MLG стэк-слоев уравнения (4) и (5), соответственно:

Разность работы выхода (ΔWF_H-G или ΔWF_M-G) рассчитывалась с помощью уравнения (3) для hBN и уравнения (5) для MoS₂. Как видно из рис. 3в и 3е, при приложении напряжения смещения 
V_BG = 40 В, уровни энергии Ферми каждого слоя 2D-материала (MoS₂ и hBN) были смещены выше от начальных положений (V_BG = 0 В) относительно уровня работы выхода MLG.

В случае «V_BG = 0 В», разница в работе выхода для двух поверхностей слоев hBN/MLG (ΔWF_H-G) и MoS₂/hBN/MLG (ΔWF_M-G) составляет около -171.9 мэВ и -265.8 мэВ соответственно. Таким образом, уровни Ферми расположены ниже уровня работы выхода MLG. Однако в случае «V_BG = 40 В» разница в работе выхода для двух поверхностей слоев hBN/MLG (ΔWF_H-G) и MoS₂/hBN/MLG (ΔWF_M-G) составляет приблизительно 89.0 мэВ и 125.2 мэВ соответственно. Следовательно, уровни Ферми расположены выше уровня работы выхода MLG.

Из-за различного поведения уровней работы выхода в зависимости от прикладываемого обратного напряжения смещения VBG слой MLG может эффективно заряжаться электронами или дырками посредством туннелирования.

Подводя итог, можно сказать, что при условии «V_BG = 0 В», электроны в слое MLG могут легче мигрировать в слой MoS₂, преодолевая барьер слоя hBN. В отличие от этого, для условия «V_BG = 40 В», слой MLG был бы удобен для получения электронов из слоя MoS₂ с уменьшенным энергетическим барьером между слоями MoS₂ и hBN.

Рис. 3. KPFM-изображения многослойной гетероструктуры vdW (MoS₂/hBN/MLG): а) и б) поверхностный потенциал; г) и д) работа выхода в случае V_BG = 0 В (а, г) или V_BG = 40 В (б, д). Профили потенциала (в) и работы выхода (е) при линейном сканировании вдоль зеленой и синей пунктирных линий сечения, обозначенных на рис. а), б) и г), д) соответственно. Масштабный отрезок: 5 мкм.

Заключение

Для исследования поведения переноса заряда через изолирующий слой hBN режим KPFM с приложением обратного напряжения смещения использовался в качестве метода исследования свойств поверхностного потенциала 2D-материалов при приложении обратного напряжения смещения 0 В и 40 В. С помощью данного метода мы тщательно изучили причину зарядного и разрядного поведения графеновых слоев, встроенных в структуру MoS₂/hBN/MLG на подложке SiO₂/p++Si.

В конечном счете, метод KPFM с приложением обратного напряжения смещения может быть широко использован для анализа характеристик механизмов работы устройств с энергонезависимой памятью с плавающим затвором, мемтранзисторов и других электрически функциональных устройств.

Подробные характеристики
Сканирующего атомно-силового микроскопа Park NX10

Ссылки

1. Bertolazzi, S.; Bondavalli, P.; Roche, S.; San, T.; Choi, S. Y.; Colombo, L.; Bonaccorso, F.; Samori, P., Nonvolatile Memories Based on Graphene and Related 2D Materials. Adv Mater 2019, 31 (10), e1806663.
2. Seo, S.; Lee, J. J.; Lee, H. J.; Lee, H. W.; Oh, S.; Lee, J. J.; Heo, K.; Park, J. H., Recent Progress in Artificial Synapses Based on Two-Dimensional van der Waals Materials for Brain-Inspired Computing. Acs Appl Electron Ma 2020, 2 (2), 371-388.
3. Yi, S. G.; Park, M. U.; Kim, S. H.; Lee, C. J.; Kwon, J.; Lee, G. H.; Yoo, K. H., Artificial Synaptic Emulators Based on MoS2 Flash Memory Devices with Double Floating Gates. ACS Appl Mater Interfaces 2018, 10 (37), 31480-31487.
4. Huang, Y.; Sutter, E.; Shi, N. N.; Zheng, J.; Yang, T.; Englund, D.; Gao, H. J.; Sutter, P., Reliable Exfoliation of Large-Area High-Quality Flakes of Graphene and Other Two-Dimensional Materials. ACS Nano 2015, 9 (11), 10612-20.
5. Yu, Y. J.; Choe, J. H.; Kim, J. Y.; Gwon, O. H.; Choi, H. K.; Choi, J. S.; Kim, J. H.; Kim, J. S.; Kim, J. T.; Shin, J. H.; Choi, Y. K., Gate-tuned conductance of graphene-ribbon junctions with nanoscale width variations. Nanoscale 2019, 11 (11), 4735-4742.
6. Yu, Y. J.; Zhao, Y.; Ryu, S.; Brus, L. E.; Kim, K. S.; Kim, P., Tuning the graphene work function by electric field effect. Nano Lett 2009, 9 (10), 3430-4.