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Adv. Mater:钛在钛硒化物器件中的自嵌入:原位透射电子显微镜的见解

电子信息材料及器件  · 公众号  ·  · 2025-03-07 08:00

正文

摘要:

金属过渡金属二硫化物(MTMDCs)因其各向异性导电性、高电子迁移率、超导性以及电荷密度波(CDW)等特性,在多种电子应用中备受关注。理解电子性质与结构转变之间的相关性至关重要。在本研究中, 报道了基于CDW的垂直1T-TiSe₂器件在偏压作用下发生的结构转变,即从1T金属相转变为扭曲的1Td相,随后进一步转变为正交晶系的Ti₉Se₂导电相。 通过外场(ex-situ)和原位(in-situ)偏压透射电子显微镜观察到动态结构变化,同时电子能量损失谱(EELS)分析揭示了在偏压作用后,富钛层中钛(Ti)和硒(Se)的价态发生了变化。此外,还研究了1T-TiSe₂厚度变化对其最大电流值的影响。这些观察结果表明,随着厚度的增加,需要更高的电压来诱导相变。这些见解有助于深入理解1T-TiSe₂的结构和电子动力学特性,并突显了其作为未来基于CDW的器件应用中极具潜力的材料。

实验方法:

1. 1T-TiSe₂薄片的制备

机械剥离法:使用机械剥离法从块体TiSe₂中制备出不同厚度的1T-TiSe₂薄片。具体步骤如下:

将块体TiSe₂粘附在蓝色胶带上,通过多次折叠(5-10次)来剥离出薄片。

将胶带放置在带有300 nm厚SiO₂层的Si基底上,并施加压力约10秒后移除胶带。

使用光学显微镜观察1T-TiSe₂薄片的形态。


2. 1T-TiSe₂器件的制备

光刻与电极沉积:

在芯片上旋涂MAA(共聚物)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为正性光刻胶。

使用电子束光刻系统(ELS-7500EX)进行光刻,并在150°C和180°C下分别烘烤1.5分钟。

使用电子枪蒸发系统沉积Ti(20 nm)和Au(90 nm)作为电极。

使用丙酮通过剥离法去除光刻胶,形成器件电极。


3. 原位(In-situ)偏压实验

原位TEM样品制备:

使用双束FIB系统(TESCAN Lyra3)制备宽度为12 μm的横截面原位TEM样品。

在TiSe₂表面沉积Pt保护层以防止Ga离子损伤。

在样品两侧铣出沟槽,并进行低kV清洁步骤以减少Ga离子的影响。

使用玻璃尖端将样品转移到原位TEM芯片上。

原位实验设置:

使用专用的TEM样品杆(Protochips Aduro 300)进行原位实验,加速电压为200 kV。

在原位偏压实验中,以0.05 V/s的速率施加电压;在原位加热实验中,以1°C/s的速率升温。

实验设置包括电源(2616A系统源表)和软件控制器(Fusion 350 V1.0.0)。

原位偏压观察:

在250 k倍率下进行原位偏压实验,逐步增加电压至目标值(2 V和2.5 V),并保持一段时间。

使用ADF-STEM成像技术观察偏压引起的结构变化。


4. 4D-STEM应变分析

实验设置:

使用Gatan Stela直接电子探测器和STEMx系统进行原子分辨率应变分析,系统集成在FEI Titan Chemi-STEM中,加速电压为200 kV。

设置圆形C₂光阑为10 μm,汇聚角为13.8 mrad,微探针透镜配置,斑点大小为6,相机长度为165 mm。

数据分析:

将采集的数据分辨率降至256×256像素,并使用开源的Gatan Digital Micrograph软件进行应变图处理。

创新点:

1. 原位透射电子显微镜(In-situ TEM)技术的应用

创新点:首次利用原位透射电子显微镜技术直接观察1T-TiSe₂器件在偏压作用下的动态结构演变。


2. 揭示钛自嵌入(Ti Self-Intercalation)现象及其机制

创新点:通过实验观察到钛原子在偏压作用下从1T-TiSe₂晶格中迁移并自嵌入到范德华层间,形成富钛相(如Ti₉Se₂)。


3. 结构与电子性质的关联研究







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