4 RESULTADOS E DISCUSS ˜ AO
4.3 Rela¸c˜ ao da Barreira Schottky com a Voltagem de Gate em Transistor de MoS 2 Medida por CAFM
Avan¸cos na pesquisa de materiais bidimensionados abriram um grande potencial para uma variedade de aplica¸c˜oes em dispositivos nanoeletrˆonicos e optoeletrˆonicos 2D como os transistores de efeito de campo (FET) [6]. Desta forma, o grafeno e, recentemente, o dissulfeto de molibdˆenio (MoS2) atra´ıram uma aten¸c˜ao significativa, especialmente devido
`as propriedades f´ısicas incomuns [110, 111].
O MoS2 ´e um material lamelar da fam´ılia dos dicalcogenetos de metais de transi¸c˜ao
(TMDCs), estruturados pelo empilhamento de planos, onde os ´atomos S-Mo-S s˜ao co- valentemente unidos em uma estrutura hexagonal. Os planos s˜ao mantidos juntos pela intera¸c˜ao de van der Waals. A monocamada MoS2 ´e semicondutor de gap direto de 1,8
eV, enquanto o bulk de MoS2 possui gap indireto de 1,2 eV [112]. Comparado com o
grafeno, que n˜ao possui gap entre as banda (ponto de Dirac), o transistor de MoS2 possui
altos ´ındices de corrente ON-OFF (∼ 108) o que faz do MoS
2 um forte candidato para
futuras aplica¸c˜oes em transistores de baixa potˆencia. Al´em disso, aplica¸c˜oes de MoS2 em
sistemas fotovoltaicos [113] e fototransistores [23] j´a foram reportados.
Apesar de todo o potencial de aplica¸c˜ao do MoS2 em sistemas eletrˆonicos, ´e essencial
que bons contatos ˆohmicos sejam usados na fabrica¸c˜ao desses dispositivos para que se obtenha uma boa performance [24]. Assim, utilizar um metal de fun¸c˜ao trabalho que diminua a altura da barreira Schottky ´e uma maneira de reduzir a resistˆencia de contato na jun¸c˜ao metal-MoS2 [114].
Diferentes t´ecnicas foram usadas para investigar as propriedades eletrˆonicas do MoS2.
No presente trabalho foi utilizada a Microscopia de For¸ca Atˆomica no modo condutivo (CAFM) para detectar a corrente el´etrica em dispositivos MoS2 mono-camada, bi-camada
e tri-camada e analisar as varia¸c˜oes da condutividade ao longo da superf´ıcie do dispositivo.
4.3.1
Metodologia
A Figura 45 (a) mostra a imagem ´otica do dispositivo MoS2 - R1, no qual teve o seu
processo de fabrica¸c˜ao descrito em detalhes na subse¸c˜ao 3.4.3.1. A Figura 45 (b) mostra um esquema simplificado do FET de MoS2 (back-gate) onde foram realizadas as medidas
de CAFM. No desenho, a ponta do AFM e o contato de ouro correspondem ao dreno e a fonte, respectivamente. As medidas de CAFM come¸cam quando a ponta entra em contato com a superf´ıcie do MoS2 e ´e estabelecida uma diferen¸ca de potencial entre o contato de
Au e a ponta. Assim, conforme a ponta varre o canal de condu¸c˜ao do dispositivo, imagens de topografia e da distribui¸c˜ao superficial de corrente s˜ao adquiridas.
As medi¸c˜oes locais de corrente-tens˜ao por CAFM foram realizadas em condi¸c˜oes nor- mais de ambiente e usando um AFM MFP-3D Asylum. Foram utilizadas pontas de Si revestidas com Pt / Ir, com forma triangular bem definida e um raio de curvatura de ∼ 15 nm. O diˆametro da ponta escolhidas para os experimentos foi estimada a partir de imagens de microscopia eletrˆonica realizadas usando um microsc´opio eletrˆonico de varre- dura (MEV) Quanta 450 FEG / FEI com resolu¸c˜ao nominal de 1 nm. Nas medidas I-V, foi utilizado um gerador de voltagem Keithley 2612B (ver esquema na Fig. 45 (b)) para aplica¸c˜ao da tens˜ao de gate, na base do dispositivo (back-gate).
Figura 45: (a) Imagem de microscopia ´otica do FET de MoS2 ap´os a fabrica¸c˜ao. Pela
imagem ´e poss´ıvel observar as diferentes espessuras do flake. (b) Ilustra¸c˜ao esquem´atica do experimento de CAFM com aplica¸c˜ao de voltagem de gate Vg na base do dispositivo
4.3.2
Resultados
4.3.2.1 Dependˆencia da corrente superficial com o n´umero de camadas Nesta se¸c˜ao ser˜ao discutidos os resultados obtidos usando a t´ecnica CAFM para medir e observar o comportamento da corrente de dreno sobre a superf´ıcies MoS2. Dessa forma,
buscou-se estudar os diferentes regimes de corrente superficial de poucas camadas de MoS2 e os efeitos da espessura sobre a corrente no canal de condu¸c˜ao da amostra. Al´em
disso, tamb´em foi observado o efeito da aplica¸c˜ao de uma voltagem de gate nas medidas de corrente realizadas no dispositivo. Ademais, para a caracteriza¸c˜ao da topografia do dispositivo foi realizada uma varredura da altura sobre toda o superf´ıcie do dispositivo usando o microsc´opio de for¸ca atˆomica em modo contato. As Figuras 46 (a) e (b) mostram as imagens de corrente e de topografia da superf´ıcie medidas por CAFM, respectivamente. Pela Figura 46 (d), ´e poss´ıvel observar mudan¸cas na corrente superficial devido a altera¸c˜oes na espessura MoS2. Na Figura 46 (c), pode-se ver a imagem da regi˜ao do dispositivo de
MoS2 que foi analisada neste trabalho, que exibe 0,8 nm de altura entre as camadas
(tricamada (3L), bicamada (2L) e monocamada (1L) de MoS2). A diferen¸ca de altura
medida neste trabalho est´a em muito bom acordo com resultados experimentais anteriores [23, 115]. ´E importante mencionar que todas as medidas de topografia e corrente el´etrica na amostra foram realizadas a temperatura ambiente.
A inser¸c˜ao na Figura 46(d) retrata o mapa de corrente el´etrica da regi˜ao de interesse (linha vermelha quadriculada) de onde se extraiu a linha de se¸c˜ao de corrente (linha azul turquesa) e que est´a plotado na Figura 46(d). A linha de se¸c˜ao da varredura atravessa as trˆes diferentes regi˜oes do MoS2. Por essa medida ´e poss´ıvel constatar que a intensidade da
corrente el´etrica diminui conforme o n´umero de camadas, tamb´em, diminui. A corrente medida na por¸c˜ao 3L do MoS2 foi 1,65 nA em V = 1V e ´e reduzida para 1,1 nA e 0,7 nA
nas camadas 2L e 1L, respectivamente. Esse comportamento para a corrente el´etrica pode ser entendido pelo fato da multiplicidade de canais condutores em MoS2 multicamadas,
resultando em uma maior intensidade de corrente de transmiss˜ao em compara¸c˜ao aos de poucas camadas [116], que possuem menos canais de condu¸c˜ao. Portanto, o CAFM se mostrou uma t´ecnica poderosa para medir com consider´avel precis˜ao a corrente el´etrica de acordo com o n´umero de camadas, na superf´ıcie do dispositivo de MoS2 .
Figura 46: (a) Imagem topogr´afica mostrando a altura entre as camadas. Foi medida a altura de 0.8 nm entre as camadas 3L-2L e 2L-1L, respectivamente. (b) Imagem de corrente da superf´ıcie do MoS2. (c) Imagem topogr´afica da regi˜ao de interesse, destacando
a mudan¸ca na altura. (d) Linha de se¸c˜ao extra´ıda da imagem de corrente na superf´ıcie do MoS2, onde se observa a mudan¸ca da intensidade de corrente devido a diferen¸ca de
4.3.2.2 Efeito da Voltagem de Gate na Imagem de Corrente
A opera¸c˜ao de um transistor de efeito de campo (FET) ´e baseada no controle do fluxo de carga entre a fonte e o dreno atrav´es do canal de condu¸c˜ao. A mudan¸ca na concentra¸c˜ao de portadores no canal ´e poss´ıvel devido `a aplica¸c˜ao de um campo el´etrico perpendicular ao canal aplicando uma tens˜ao de gate. Assim, ´e poss´ıvel definir uma configura¸c˜ao de liga-desliga (on-off ) para o dispositivo, uma vez que a dire¸c˜ao e a intensidade do campo el´etrico na jun¸c˜ao podem ser alteradas pelo sinal de tens˜ao da gate. Assim, com a t´ecnica CAFM foram realizadas medidas do fluxo de corrente na superf´ıcie do MoS2 considerando
a varia¸c˜ao da tens˜ao do gate aplicada na base do dispositivo (back-gate). Portanto, esta se¸c˜ao prop˜oe aplicar o CAFM para analisar a distribui¸c˜ao de corrente na superf´ıcie do MoS2 e usar essa t´ecnica de microscopia para verificar a modula¸c˜ao da corrente el´etrica
atrav´es do canal MoS2 quando s˜ao variadas as tens˜oes de gate. Pelas an´alises das imagens
de corrente, se constata que h´a uma homogeneidade da distribui¸c˜ao superficial de corrente no dispositivo MoS2. Esse resultado torna-se importante para se entender o comporta-
mento el´etrico do contato na jun¸c˜ao MoS2/metal, bem como poss´ıveis altera¸c˜oes na altura
da barreira Schottky φb. Essa medida de corrente foi feita no modo contato e a tens˜ao
de polariza¸c˜ao (fonte-dreno) permaneceu constante em Vds = 0.5 V . A figura 47 (a-d)
representa os mapas de corrente relacionados a quatro valores de tens˜ao de gate (0, 10, 20 e 30 V), aplicados usando um gerador de tens˜ao. As correntes medidas na tricamada (3L) foram de 0.8, 1.7, 2.8 e 3.6 nA, respectivamente, como est˜ao mostradas na Figura 47 (f)). A Figura 47 (e) mostra que a altura da tri-camada ´e de 2,2 nm. As imagens das Figuras 47 (a-d) mostram claramente o contraste de corrente entre o substrato de SiO2 e a regi˜ao
3L, onde se pode observar que a intensidade da corrente foi amplificada. Assim, `a medida que a tens˜ao de gate aumentou sua intensidade na base do dispositivo, variando de 0 a 30 V, houve um aumento na concentra¸c˜ao de portadores de carga de tipo n, resultando em aumento de corrente de 0,8 a 3,6 nA, como mostrado na Figura 47 (f). Portanto, por esta medida, a opera¸c˜ao do dispositivo pode ser vista como um sistema amplificador de corrente por a¸c˜ao de um efeito de campo.
4.3.2.3 Curvas I x V e Modelo de Corrente
Devido a baixa intensidade de corrente na superf´ıcie da monocamada (1L) do MoS2,
foi necess´ario um aumento consider´avel no contraste de cor nas imagens de corrente via software para que a corrente pudesse ser observada. Isso mostrou que a corrente ocorreu mais intensamente perto do contato met´alico (inferior direito) e que operava como fonte
0.0 0.5 1.0 1.5 0 1 2 3 Hei g ht (nm) Distance (µm) VG= 0 V VG= 10 V VG= 20 V VG= 30 V 0.0 0.5 1.0 1.5 1 2 3 4 I (nA) Distance (µm) VG= 30 V VG= 20 V VG= 10 V VG= 0 V (a) (c) (b) (d) (f) 2.2 nm 3L Si (e)
Figura 47: (a)-(d) Imagens de corrente da superf´ıcie do MoS2 para diferentes intensidades
de voltagem de gate (VG de 0 at´e 30 V), (e) linha de se¸c˜ao de altura na inteface MoS2(3L)-
SiO2 e (f) linha de se¸c˜ao de corrente correspondente as imagens (a)-(d) na borda do
em nosso dispositivo, como se pode ver na Figura 48. Assim, todas as medidas de curva I x V foram realizadas e obtidas pr´oximo a fonte do dispositivo, situado na regi˜ao de monocamada do MoS2.
Figura 48: Imagem de corrente do dispositivo de MoS2 medida por CAFM. O contraste
de cor na imagem foi extrapolado devido `a baixa intensidade de corrente sobre a mono- camada. A corrente se torna mais acentuada pr´oximo ao contato fonte (source pad ).
As medidas de I x V foram realizadas sobre a superf´ıcie de MoS2 nas trˆes regi˜oes (1L,
2L e 3L), que formam o canal do dispositivo, como s˜ao vistas na Figura 48. O software do microsc´opio, possibilitou o posicionamento da ponta do AFM sobre cada uma das regi˜oes de interesse da amostra. A medida foi iniciada quando a ponta entrou em contato f´ısico com a superf´ıcie da amostra e uma tens˜ao el´etrica foi variada de -2 `a 5 V entre o contato de ouro e a ponta de Pt/Ir do microsc´opio.
Nas trˆes regi˜oes do MoS2 (1L, 2L e 3L), al´em da varia¸c˜ao da tens˜ao fonte-dreno, foi
acrescentado ao experimento de CAFM a aplica¸c˜ao de uma voltagem de gate na base do dispositivo. Em cada regi˜ao do MoS2 foram adquiridas sete curvas I x V com os seguintes
valores de tens˜ao de gate: 0 V, 10 V, 20 V, 30 V, 40 V, 70 V e 100 V. Os dados do experimento est˜ao representados na Figura 49 (a-c).
Os resultados dos experimentos vistos na Figura 49 mostram que as caracter´ısticas das curvas I x V revelam um comportamento retificador de um nano-Schottky diodo entre a ponta do AFM e o MoS2[98], onde as correntes s˜ao aproximadamente nulas para tens˜oes
de dreno negativas (tens˜ao reversa) e aumentam consideravelmente para valores positivos de tens˜ao (tens˜ao direta). Al´em disso, ´e poss´ıvel observar uma correla¸c˜ao positiva entre o aumento da tens˜ao de gate e o aumento dos valores de corrente na superf´ıcie das trˆes regi˜oes do MoS2.
As curvas I x V mostram que os valores de corrente para uma dada tens˜ao de dreno, s˜ao maiores na regi˜ao de tricamada de MoS2 em compara¸c˜ao `as de bicamada e de mo-
(a) (b) (c) VG= 100 V VG= 70 V VG= 40 V VG= 30 V VG= 20 V VG= 10 V VG= 0 V (d) VG= 100 V VG= 70 V VG= 40 V VG= 30 V VG= 20 V VG= 10 V VG= 0 V VG= 100 V VG= 70 V VG= 40 V VG= 30 V VG= 20 V VG= 10 V VG= 0 V
Figura 49: Curvas I x V para (a) monocamada, (b) bicamada e (c) tricamada de MoS2.
(d) Altura da barreira de Schottky em fun¸c˜ao da tens˜ao de gate para as regi˜oes 1L (pontos azuis), 2L (pontos verdes) e 3L (pontos vermelhos).
nocamada. Isso est´a relacionado ao maior n´umero de canais de condu¸c˜ao presentes em amostras multicamadas e ao fato da altura da barreira Schottky diminuir com o aumento do n´umero de camadas no MoS2 [117]. No entanto, os baixos valores de corrente medidos
nos experimentos podem estar relacionados a fatores importantes que devem ser consi- derados, como uma alta resistˆencia de contato no sistema, contamina¸c˜ao da superf´ıcie por absor¸c˜ao de oxigˆenio e/ou ´agua do meio ambiente, devido ao armazenamento e as condi¸c˜oes do local das medidas [6], al´em da ´area nanom´etrica de contato da ponta com a superf´ıcie de MoS2.
Usando os dados de corrente obtidos nos experimentos, al´em dos parˆametros de me- dida de CAFM, como raio da ponta, tens˜ao de bias e de gate, e usando um modelo para ajustar os dados, foi poss´ıvel encontra o valor efetivo da altura da barreira Schottky (Φb)
na jun¸c˜ao ponta-MoS2.
A altura da barreira Schottky Φb pode ser modificada por uma tens˜ao de gate aplicado
no dispositivo. Usando uma teoria de emiss˜ao termiˆonica, ajustamos os dados experimen- tais de acordo com a lei de corrente para analisar a dependˆencia entre a altura da barreira Schottky Φb e a voltagem de gate Vg para cada camada.
Primeiro, a equa¸c˜ao (4.4) representa a lei de corrente I0 para Vg = 0 V:
I0 = AAsT2exp(−qΦb/kT )exp([qV /nkT ]) + If, (4.4)
onde A ´e a ´area da ponta (πR2, com raio R=15 nm), As = 4πqk2m
ef f/h3 ≈ 54.1 A
cm−2
K−2
a constante de Richardson para o MoS2, sendo mef f=0.45me a massa efetiva
do el´etron no MoS2 [111], q a carga el´etrica elementar (1.6x10−19 C), T ´e a temperatura
(T = 300 K), k a constante de Boltzmann, h a constante de Plank, Φb a altura da barreira
Schottky, n o fator de idealidade, V a voltagem aplicada (bias) e If a corrente de fuga.
Se houver uma dependˆencia linear no Φb para a tens˜ao de gate, ent˜ao podemos rees-
crever a equa¸c˜ao atual incluindo essa dependˆencia onde:
Φb = Φ0− aVg. (4.5)
Dessa forma, a express˜ao final para a corrente ser´a:
I = AAsT2exp[−q(Φ0− aVg)/kT )]exp([qV /nkT ]) + If, (4.6)
onde a ´e um parˆametro de ajuste.
Em seguida, usamos esse modelo de corrente para obter o Φb para cada tens˜ao de
gate. Dessa forma, os resultados mostram que Φb depende da tens˜ao de gate, como pode
ser verificado na Figura 49 (d), onde pode ser visto que Φb diminui linearmente com o
aumento de Vg. Nessa Figura, os pontos coloridos (com as barras de erro) s˜ao as alturas
das barreiras extra´ıdas dos dados experimentais e as linhas s˜ao os ajustes lineares dos pontos (linear fittings). A linha azul representa a camada 1L, a linha verde a 2L e a linha vermelha a 3L. Os valores medidos das alturas da barreira de Schottky Φb0, ou seja para
Vg = 0 V, foram de 374 meV (erro de ± 10) para a monocamada, 342 meV (± 7) para a
bicamada e 306 meV (± 2.8) para a tricamada. Portanto, os resultados dos experimentos e a an´alise dos dados mostraram de forma contundente que a altura da barreira diminui quando o n´umero de camadas aumenta. O fator de idealidade n tamb´em mudou com o n´umero de camadas pois, pela equa¸c˜ao (2.34), n ´e proporcional `a inclina¸c˜ao da curva dV /d(LnI). Sendo assim foram obtidos os valores de n(1L) = 11.8, n(2L) = 10.32 e n(3L) = 14.4 para as regi˜oes de mono, bi e tricamadas de MoS2, respectivamente.
4.3.2.4 Conclus˜ao
Em conclus˜ao, o dispositivo MoS2 exibe uma condu¸c˜ao evidente do tipo-n e um com-
portamento retificador semelhante a um diodo Schottky. Pela corrente de satura¸c˜ao, foi poss´ıvel encontrar os valores de barreira Schottky para as trˆes regi˜oes analisadas no dis- positivo. No entanto, os valores altos para o fator de idealidade sugerem que o dispositivo apresentou um funcionamento distante do ideal (n=1), mostrando que os desvios nos valo- res de n n˜ao podem ser explicados t˜ao somente pela teoria de emiss˜ao termiˆonica. Pode-se atribuir esses valores de n `a probabilidade de haver transporte por tunelamento nas pa- redes da jun¸c˜ao, resultando num regime de corrente n˜ao previsto pela teoria termiˆonica. Al´em disso, os baixos valores de corrente no plano dos dispositivos est˜ao relacionados `a alta resistˆencia de contato e `as condi¸c˜oes ambientais que contribu´ıram para diminui¸c˜ao do fluxo de corrente no canal de condu¸c˜ao do dispositivo. Assim, melhorias no trans- porte eletrˆonico seriam conseguidas se o flake de MoS2 fosse depositado em um substrato
diel´etrico de alto-k, como o nitreto de boro, resultando numa redu¸c˜ao no espalhamento coulombiano e redu¸c˜ao na dispers˜ao por fˆonons. Por fim, o CAFM demonstrou ser uma t´ecnica ´util para o transporte eletrˆonico em nanodispositivos 2D. Atrav´es das curvas I x V e as imagens de corrente na superf´ıcie da amostra (MoS2 - R1), foi poss´ıvel realizar as
medidas do efeito de campo el´etrico pela t´ecnica de CAFM na superf´ıcie do MoS2. Os
resultados mostraram que a altura da barreira Φb diminuiu quando a tens˜ao de gate foi
aplicada e, de maneira oposta, a altura da barreira ´e maior quanto menor for o n´umero de camadas no MoS2.