Experimental Optimization and Theoretical Simulation of High Performance Field-effect Transistors Based on Multilayer Tungsten Diselenide

doi:10.7503/cjcu20220113

Abstract

Abstract:

The field-effect transistors（FETs） were prepared based on high-quality WSe₂ nanosheets of different thicknesses by mechanical exfoliation method and the influencing factors of their performance were investigated. By regulating the WSe₂ nanosheet and dielectric layer substrate thickness， testing temperature， annealing treatment， combined with theoretical simulation analysis， the best electrical performance of WSe₂-FETs was obtained. Finally， the obtained 7-layer WSe₂ nanosheets exhibit the most excellent electrical properties with carrier mobility up to 93.17 cm²·V^?1·s^?1 at room temperature and 482.78 cm²·V^?1·s^?1 at low temperature of 78 K.

Key words: Mechanical exfoliation method, Two-dimensional material, Two-dimensional transition metal dichalcogenide, Carrier mobility, On/off ratio

CLC Number:

O649

TrendMD:

ZHANG Yichao, ZHAO Fulai, WANG Yu, WANG Yaling, SHEN Yongtao, FENG Yiyu, FENG Wei. Experimental Optimization and Theoretical Simulation of High Performance Field-effect Transistors Based on Multilayer Tungsten Diselenide[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220113.

Figures/Tables 7

References 42

1	Islam Z.， Haque A.， Kozhakhmetov A.， Robinson J.， J. Electron. Mater.， 2020， 49（6）， 1—10
2	Huang H.， Wang L.， Lv Y.， Liu X.， Zou X.， IEEE Electron Device Lett.， 2021， 42（7）， 1081—1084
3	Kang W. M.， Cho I. T.， Roh J. K.， Chang H. L.， Lee J. L.， Nanosci. Nanotechnol.， 2019， 19（10）， 6422—6428
4	Hwangbo Y.， Lee C. K.， Kim S. M.， Kim J. H.， Kim K. S.， Jang B.， Lee H. J.， Lee S. K.， Kim S. S.， Ahn J. H.， Lee S. M.， Sci. Rep.， 2014， 4， 4439
5	Sahin H.， Tongay S.， Horzum S.， Fan W.， Zhou J.， Li J.， Wu J.， Peeters F.， Phys. Rev. B， 2013， 87（16）， 1106—1115
6	Chhowalla M.， Shin H. S.， Eda G.， Li L. J.， Loh K. P.， Zhang H.， Nat. Chem.， 2013， 5（4）， 263—275
7	Liu Y.， Duan X.， Huang Y.， Duan X.， Chem. Soc. Rev.， 2018， 47（16）， 6388—6409
8	Novoselov K. S.， Geim A. K.， Morozov S. V.， Jiang D.， Zhang Y.， Dubonos S. V.， Grigorieva I. V.， Firsov A. A.， Science， 2004， 306（5696）， 666—669
9	Zhang X.， Zhao F. L.， Wang Y.， Liang X. J.， Feng Y. Y.， Feng W.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（9）， 2032—2037
	张鑫，赵付来，王宇，梁雪静，冯奕钰，封伟. 高等学校化学学报， 2020， 41（9）， 2032—2037
10	Liang X. J.， Zhao F. L.， Wang Y.， Zhang Y. C.， Wang Y. L.， Feng Y. Y.， Feng W.， Chem. J. Chinese Universities， 2021， 42（8）， 2661—2667
	梁雪静，赵付来，王宇，张义超，王亚玲，冯奕钰，封伟. 高等学校化学学报， 2021， 42（8）， 2661—2667
11	Tan M.， Zhang L.， Liang W.， Acta Phys.⁃Chim. Sin.， 2019， 35（4）， 385—393
12	Wang G.， Hou C.， Long H.， Yang L.， Wang Y.， Acta Phys.⁃Chim. Sin.， 2019， 35（12）， 1319—1340
13	Das S. R.， Wakabayashi K.， Tsukagoshi K.， Dutta S.， Sci. Rep.， 2020， 10（1）， 21737
14	Cao W.， Kang J.， Sarkar D.， Liu W.， Banerjee K.， IEEE Trans. Electron. Devices， 2015， 62（11）， 3459—3469
15	Elias A. L.， Perea⁃Lopez N.， Castro⁃Beltran A.， Berkdemir A.， Lv R.， Feng S.， Long A. D.， Hayashi T.， Kim Y. A.， Endo M.， Gutierrez H. R.， Pradhan N. R.， Balicas L.， Mallouk T. E.， Lopez⁃Urias F.， Terrones H.， Terrones M.， ACS Nano， 2013， 7（6）， 5235—5242
16	Allain A.， Kang J.， Banerjee K.， Kis A.， Nat. Mater.， 2015， 14（12）， 1195—1205
17	Zhou J.， Lin J.， Huang X.， Zhou Y.， Chen Y.， Xia J.， Wang H.， Xie Y.， Yu H.， Lei J.， Wu D.， Liu F.， Fu Q.， Zeng Q.， Hsu C. H.， Yang C.， Lu L.， Yu T.， Shen Z.， Lin H.， Yakobson B. I.， Liu Q.， Suenaga K.， Liu G.， Liu Z.， Nature， 2018， 556（7701）， 355—359
18	Zhang W. X.， Huang Z. S.， Zhang W. L.， Li Y. R.， Nano Research， 2014， 7（12）， 1731—1737
19	Liu L. T.， Kumar S. B.， Ouyang Y.， Guo J.， IEEE Trans. Electron. Devices， 2011， 58（9）， 3042—3047
20	Fang H.， Chuang S.， Chang T. C.， Takei K.， Takahashi T.， Javey A.， Nano Lett.， 2012， 12（7）， 3788—3792
21	Liu W.， Kang J.， Sarkar D.， Khatami Y.， Jena D.， Banerjee K.， Nano Lett.， 2013， 13（5）， 1983—1990
22	Perdew J. P.， Burke K.， Ernzerhof M.， Phys. Rev. Lett.， 1998， 80（4）， 891—891
23	Hammer B.， Hansen L. B.， Norskov J. K.， Phys. Rev. B， 1999， 59（11）， 7413—7421
24	Blochl P. E.， Phys. Rev.， B： Condens. Matter.， 1994， 50（24）， 17953—17979
25	Kresse G.， Joubert D.， Phys. Rev. B， 1999， 59（3）， 1758—1775
26	Monkhorst H. J.， Pack J. D.， Phys. Rev. B， 1976， 13（12）， 5188—5192
27	Pfrommer B. G.， Cote M.， Louie S. G.， J. Comput. Phys.， 1997， 131（1）， 233—240
28	Zheng Y.， Xiang D.， Zhang J.， Guo R.， Wang W.， Liu T.， Loh L.， Wang Y.， Gao J.， Han C.， Nano Res.， 2021， 14（8）， 2703—2710
29	Schutte W. J.， Boer J.， Jellinek F.， J. Solid State Chem.， 1987， 70（2）， 207—209
30	Zhao W.， Ghorannevis Z.， Amara K. K.， Pang J. R.， Toh M.， Zhang X.， Kloc C.， Tan P. H.， Eda G.， Nanoscale， 2013， 5（20）， 9677—9683
31	Adachi S.， J. Appl. Phys.， 1985， 58（3）， R1—R29
32	Wang Z.， Li Q.， Chen Y.， Cui B.， Li Y.， Flemming B.， Dong M.， NPG Asia Mater.， 2018， 13（7）， 703—712
33	Zhou X.， Hu X.， Jin B.， Yu J.， Liu K.， Li H.， Zhai T.， Sci. Adv.， 2018， 5（8）， 1800478
34	Yue Y.， Chen J.， Zhang Y.， Ding S.， Zhao F.， Wang Y.， Zhang D.， Li R.， Dong H.， Hu W.， Feng Y.， Feng W.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（26）， 22435—22444
35	Wang Y.， Herron N.， J. Phys. Chem. C， 1991， 95（2）， 525—532
36	Masuda H.， Fukuda K.， Science， 1995， 268（5216）， 1466—1468
37	Tang Y.， Zhang J.， Zhong X.， Wang Q.， Zhang H.， Ren C.， Wang J.， Sol. Energy Mater Sol. Cells， 2019， 190， 272—277
38	Tang Y.， Zhou Y.， Zhong X.， Liu M.， Yan L.， Hu H.， Wang J.， Phys. Status Solidi， 2020， 257（5）， 961—976
39	Smoleński T.， Goryca M.， Koperski M.， Faugeras C.， Kazimierczuk T.， Bogucki A.， Nogajewski K.， Kossacki P.， Potemski M.， Phys. Rev. X， 2016， 6（2）， 021—024
40	Bardeen J.， Shockley W.， Phys. Rev. A（Coll Park）， 1950， 80（1）， 72—80
41	Resta R.， Phys. Rev. B， 1991， 44（20）， 11035—11041
42	Xi J.， Nakamura Y.， Zhao T.， Wang D.， Shuai Z.， Acta Phys.⁃Chim. Sin.， 2018， 34（9）， 961—976

Item	Effective mass， m^* /m₀	Carrier mobility， μ_2d/（cm²·V^?1·s^?1）
Electronic（m_e^*）	1.18	102.64
Hole（m_h^*）	1.18	125.19

Item	Effective mass， m^* /m₀	Carrier mobility， μ_2d/（cm²·V^?1·s^?1）
Electronic（m_e^*）	1.18	102.64
Hole（m_h^*）	1.18	125.19

[1]	XIN Weiwen, WEN Liping. Two-dimensional Materials for Osmotic Energy Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 445.
[2]	SHI Jiangwei, MENG Nannan, GUO Yamei, YU Yifu, ZHANG Bin. Recent Advances of Two-dimensional Materials for Electrocatalytic Hydrogen Evolution [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 492.
[3]	DONG Qizheng, ZHAI Jin. Application of Biomimetic Nanofluidic Channel Based on Two-dimensional Materials in Energy Conversion [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 432.
[4]	CHEN Minghua, LI Hongwu, FAN He, LI Yu, LIU Weiduo, XIA Xinhui, CHEN Qingguo. Research Progress of Two-dimensional Transition Metal Dichalcogenides in Supercapacitors [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 539.
[5]	WANG Wei, LU Xiangchao, ZHOU Lijun, LU Yizhen, CAO Yang. Design， Construction and Performance Research of Functional Devices Based on Two-dimensional Piezoelectric Materials [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 595.
[6]	DENG Yaqian, WU Zhitan, LV Wei, TAO Ying, YANG Quanhong. Gelation of Two⁃dimensional Materials for Energy Storage Applications [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 380.
[7]	XIE Chen, CHEN Na, YANG Yanbing, YUAN Quan. Recent Progress of Aptamer Functionalized Two-dimensional Materials Field Effect Transistor Sensors [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(11): 3406.
[8]	ZHANG Xin, ZHAO Fulai, WANG Yu, LIANG Xuejing, FENG Yiyu, FENG Wei. Preparation and Electrical Properties of Germanium Telluride Field Effect Transistor [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(9): 2032.
[9]	HUANG Wenjuan, HOU Huayi, CHEN Xiangbai, ZHAI Tianyou. Synthesis of InSe Nanoflakes with Near-infrared Photoresponse Grown by Chemical Vapor Deposition ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(4): 682.
[10]	ZHANG Wei-Min, FENG Yu, DIAO Kai-Sheng, SUN Li, HONG Fang, SU Zhi-Xing, HU Yu-Ping. Synthesis and Properties of Poly(indenofluorene-triphenylamine) for Organic Field Effect Transistors [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2013, 34(9): 2233.