Full Control of Solid-State Electrolytes for Electrostatic Gating.
Li-ion conducting glass-ceramic
gate-induced superconductivity
ionic gating
ionic-gate spectroscopy
solid-state electrolytes
Journal
Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.)
ISSN: 1521-4095
Titre abrégé: Adv Mater
Pays: Germany
ID NLM: 9885358
Informations de publication
Date de publication:
May 2023
May 2023
Historique:
revised:
10
02
2023
received:
21
12
2022
medline:
23
2
2023
pubmed:
23
2
2023
entrez:
22
2
2023
Statut:
ppublish
Résumé
Ionic gating is a powerful technique to realize field-effect transistors (FETs) enabling experiments not possible otherwise. So far, ionic gating has relied on the use of top electrolyte gates, which pose experimental constraints and make device fabrication complex. Promising results obtained recently in FETs based on solid-state electrolytes remain plagued by spurious phenomena of unknown origin, preventing proper transistor operation, and causing limited control and reproducibility. Here, a class of solid-state electrolytes for gating (Lithium-ion conducting glass-ceramics, LICGCs) is explored, the processes responsible for the spurious phenomena and irreproducible behavior are identified, and properly functioning transistors exhibiting high density ambipolar operation with gate capacitance of ≈
Identifiants
pubmed: 36812653
doi: 10.1002/adma.202211993
doi:
Types de publication
Journal Article
Langues
eng
Sous-ensembles de citation
IM
Pagination
e2211993Subventions
Organisme : Swiss National Science Foundation (Division II)
Organisme : EU Graphene Flagship project
Informations de copyright
© 2023 The Authors. Advanced Materials published by Wiley-VCH GmbH.
Références
W. H. Brattain, C. G. B. Garrett, Bell Syst. Tech. J. 1955, 34, 129.
T. Fujimoto, K. Awaga, Phys. Chem. Chem. Phys. 2013, 15, 8983.
S. H. Kim, K. Hong, W. Xie, K. H. Lee, S. Zhang, T. P. Lodge, C. D. Frisbie, Adv. Mater. 2013, 25, 1822.
S. Z. Bisri, S. Shimizu, M. Nakano, Y. Iwasa, Adv. Mater. 2017, 29, 1607054.
I. Gutiérrez-Lezama, N. Ubrig, E. Ponomarev, A. F. Morpurgo, Nat. Rev. Phys. 2021, 3, 508.
F. Torricelli, D. Z. Adrahtas, Z. N. Bao, M. Berggren, F. Biscarini, A. Bonfiglio, C. A. Bortolotti, C. D. Frisbie, E. Macchia, G. G. Malliaras, I. McCulloch, M. Moser, T. Q. Nguyen, R. M. Owens, A. Salleo, A. Spanu, L. Torsi, Nat. Rev. Methods Primers 2021, 1, 66.
J. Lee, M. J. Panzer, Y. He, T. P. Lodge, C. D. Frisbie, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 4532.
E. Schmidt, S. Shi, P. P. Ruden, C. D. Frisbie, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 14879.
H. Zhang, C. Berthod, H. Berger, T. Giamarchi, A. F. Morpurgo, Nano Lett. 2019, 19, 8836.
H. Shimotani, H. Asanuma, J. Takeya, Y. Iwasa, Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 203501.
M. J. Panzer, C. D. Frisbie, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 6599.
J. H. Cho, J. Lee, Y. Xia, B. Kim, Y. He, M. J. Renn, T. P. Lodge, C. Daniel Frisbie, Nat. Mater. 2008, 7, 900.
S. Jo, N. Ubrig, H. Berger, A. B. Kuzmenko, A. F. Morpurgo, Nano Lett. 2014, 14, 2019.
J. Ye, S. Inoue, K. Kobayashi, Y. Kasahara, H. Yuan, H. Shimotani, Y. Iwasa, Nat. Mater. 2010, 9, 125.
K. Ueno, S. Nakamura, H. Shimotani, H. Yuan, N. Kimura, T. Nojima, H. Aoki, Y. Iwasa, M. Kawasaki, Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 408.
J. T. Ye, Y. J. Zhang, R. Akashi, M. S. Bahramy, R. Arita, Y. Iwasa, Science 2012, 338, 1193.
S. Jo, D. Costanzo, H. Berger, A. F. Morpurgo, Nano Lett. 2015, 15, 1197.
Y. Saito, Y. Kasahara, J. T. Ye, Y. Iwasa, T. Nojima, Science 2015, 350, 409.
W. Shi, J. Ye, Y. Zhang, R. Suzuki, M. Yoshida, J. Miyazaki, N. Inoue, Y. Saito, Y. Iwasa, Sci. Rep. 2015, 5, 12534.
D. Costanzo, S. Jo, H. Berger, A. F. Morpurgo, Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 339.
D. Costanzo, H. Zhang, B. A. Reddy, H. Berger, A. F. Morpurgo, Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 483.
J. Lu, O. Zheliuk, Q. Chen, I. Leermakers, N. E. Hussey, U. Zeitler, J. Ye, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2018, 115, 3551.
E. Piatti, D. De Fazio, D. Daghero, S. R. Tamalampudi, D. Yoon, A. C. Ferrari, R. S. Gonnelli, Nano Lett. 2018, 18, 4821.
S. Kouno, Y. Sato, Y. Katayama, A. Ichinose, D. Asami, F. Nabeshima, Y. Imai, A. Maeda, K. Ueno, Sci. Rep. 2018, 8, 14731.
J. W. Zeng, E. Liu, Y. J. Fu, Z. Y. Chen, C. Pan, C. Y. Wang, M. Wang, Y. J. Wang, K. Xu, S. H. Cai, X. X. Yan, Y. Wang, X. W. Liu, P. Wang, S. J. Liang, Y. Cui, H. Y. Hwang, H. T. Yuan, F. Miao, Nano Lett. 2018, 18, 1410.
E. Piatti, T. Hatano, D. Daghero, F. Galanti, C. Gerbaldi, S. Guastella, C. Portesi, I. Nakamura, R. Fujimoto, K. Iida, H. Ikuta, R. S. Gonnelli, Phys. Rev. Mater. 2019, 3, 044801.
D. Domaretskiy, M. Philippi, M. Gibertini, N. Ubrig, I. Gutiérrez-Lezama, A. F. Morpurgo, Nat. Nanotechnol. 2022, 17, 1078.
B. I. Weintrub, Y. L. Hsieh, S. Kovalchuk, J. N. Kirchhof, K. Greben, K. I. Bolotin, Nat. Commun. 2022, 13, 6601.
D. Braga, I. Gutiérrez-Lezama, H. Berger, A. F. Morpurgo, Nano Lett. 2012, 12, 5218.
I. G. Lezama, A. Ubaldini, M. Longobardi, E. Giannini, C. Renner, A. B. Kuzmenko, A. F. Morpurgo, 2D Mater. 2014, 1, 021002.
H. Xu, S. Fathipour, E. W. Kinder, A. C. Seabaugh, S. K. Fullerton-Shirey, ACS Nano 2015, 9, 4900.
Y. Saito, Y. Iwasa, ACS Nano 2015, 9, 3192.
I. Gutiérrez-Lezama, B. A. Reddy, N. Ubrig, A. F. Morpurgo, 2D Mater. 2016, 3, 045016.
A. Ciarrocchi, A. Avsar, D. Ovchinnikov, A. Kis, Nat. Commun. 2018, 9, 919.
K. S. Vasu, D. Pramanik, S. Kundu, S. Sridevi, N. Jayaraman, M. Jain, P. K. Maiti, A. K. Sood, J. Mater. Chem. C 2018, 6, 6483.
E. Ponomarev, Á. Pásztor, A. Waelchli, A. Scarfato, N. Ubrig, C. Renner, A. F. Morpurgo, ACS Nano 2018, 12, 2669.
E. Ponomarev, N. Ubrig, I. Gutiérrez-Lezama, H. Berger, A. F. Morpurgo, Nano Lett. 2018, 18, 5146.
U. Ulissi, G. A. Elia, S. Jeong, F. Mueller, J. Reiter, N. Tsiouvaras, Y. K. Sun, B. Scrosati, S. Passerini, J. Hassoun, ChemSusChem 2018, 11, 229.
P. V. Nguyen, N. C. Teutsch, N. P. Wilson, J. Kahn, X. Xia, A. J. Graham, V. Kandyba, A. Giampietri, A. Barinov, G. C. Constantinescu, N. Yeung, N. D. M. Hine, X. Xu, D. H. Cobden, N. R. Wilson, Nature 2019, 572, 220.
F. Joucken, J. Avila, Z. Ge, E. A. Quezada-Lopez, H. Yi, R. Le Goff, E. Baudin, J. L. Davenport, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. C. Asensio, J. Velasco Jr, Nano Lett. 2019, 19, 2682.
P. Knauth, Solid State Ionics 2009, 180, 911.
A. Manthiram, X. Yu, S. Wang, Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 16103.
T. Famprikis, P. Canepa, J. A. Dawson, M. S. Islam, C. Masquelier, Nat. Mater. 2019, 18, 1278.
F. Zheng, M. Kotobuki, S. Song, M. O. Lai, L. Lu, J. Power Sources 2018, 389, 198.
J. Biscaras, Z. Chen, A. Paradisi, A. Shukla, Nat. Commun. 2015, 6, 8826.
J. Zhao, M. Wang, H. Li, X. Zhang, L. You, S. Qiao, B. Gao, X. Xie, M. Jiang, Sci. Rep. 2016, 6, 34816.
J. Zhao, M. Wang, X. Zhang, Y. Lv, T. Wu, S. Qiao, S. Song, B. Gao, Sci. Rep. 2017, 7, 3168.
M. Philippi, I. Gutiérrez-Lezama, N. Ubrig, A. F. Morpurgo, Appl. Phys. Lett. 2018, 113, 033502.
H. Wang, Q. Liu, X. Feng, Z. Zhang, K. Wang, Z. Liu, J.-F. Dai, Mater. Res. Express 2020, 7, 076302.
M. H. Alam, Z. Xu, S. Chowdhury, Z. Jiang, D. Taneja, S. K. Banerjee, K. Lai, M. H. Braga, D. Akinwande, Nat. Commun. 2020, 11, 3203.
M. H. Alam, S. Chowdhury, A. Roy, M. H. Braga, S. K. Banerjee, D. Akinwande, Phys. Rev. Mater. 2021, 5, 054003.
Y. Song, X. Liang, J. Guo, J. Deng, G. Gao, X. Chen, Phys. Rev. Mater. 2019, 3, 054804.
W. Zhuo, B. Lei, S. Wu, F. Yu, C. Zhu, J. Cui, Z. Sun, D. Ma, M. Shi, H. Wang, W. Wang, T. Wu, J. Ying, S. Wu, Z. Wang, X. Chen, Adv. Mater. 2021, 33, 2008586.
M. Liao, H. Wang, Y. Zhu, R. Shang, M. Rafique, L. Yang, H. Zhang, D. Zhang, Q.-K. Xue, Nat. Commun. 2021, 12, 5342.
J. B. Goodenough, H.-P. Hong, J. Kafalas, Mater. Res. Bull. 1976, 11, 203.
https://www.oharacorp.com/lic-gc.html (accessed: December 2022).
L. Katzenmeier, S. Helmer, S. Braxmeier, E. Knobbe, A. S. Bandarenka, ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 5853.
D. Domaretskiy, N. Ubrig, I. Gutiérrez-Lezama, M. K. Tran, A. F. Morpurgo, 2D Mater. 2021, 8, 045016.
P. Zomer, M. Guimarães, J. Brant, N. Tombros, B. Van Wees, Appl. Phys. Lett. 2014, 105, 013101.
S. Russo, M. F. Craciun, M. Yamamoto, S. Tarucha, A. F. Morpurgo, New J. Phys. 2009, 11, 095018.
Y. Xia, J. H. Cho, B. Paulsen, C. D. Frisbie, M. J. Renn, Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 013304.
A. T. Wong, J. H. Noh, P. R. Pudasaini, B. Wolf, N. Balke, A. Herklotz, Y. Sharma, A. V. Haglund, S. Dai, D. Mandrus, P. D. Rack, T. Z. Ward, APL Mater. 2017, 5, 042501.
S. Joshi, V. D. Bhatt, H. Rani, M. Becherer, P. Lugli, Microelectron. Eng. 2018, 199, 87.
J. Liu, J. Wang, C. Xu, H. Jiang, C. Li, L. Zhang, J. Lin, Z. X. Shen, Adv. Sci. 2018, 5, 1700322.
A. J. Bard, L. R. Faulkner, Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, Wiley, New York 2001.
N. Elgrishi, K. J. Rountree, B. D. McCarthy, E. S. Rountree, T. T. Eisenhart, J. L. Dempsey, J. Chem. Educ. 2018, 95, 197.
C. Sandford, M. A. Edwards, K. J. Klunder, D. P. Hickey, M. Li, K. Barman, M. S. Sigman, H. S. White, S. D. Minteer, Chem. Sci. 2019, 10, 6404.
Y. Jiang, J. Liu, Energy Environ. Mater. 2019, 2, 30.
H. Lindström, S. Södergren, A. Solbrand, H. Rensmo, J. Hjelm, A. Hagfeldt, S.-E. Lindquist, J. Phys. Chem. B 1997, 101, 7717.
J. Wang, J. Polleux, J. Lim, B. Dunn, J. Phys. Chem. C 2007, 111, 14925.
Y. Amiki, F. Sagane, K. Yamamoto, T. Hirayama, M. Sudoh, M. Motoyama, Y. Iriyama, J. Power Sources 2013, 241, 583.
K. Yamamoto, Y. Iriyama, T. Hirayama, Microscopy 2017, 66, 50.
B. E. Conway, J. Electrochem. Soc. 1991, 138, 1539.
D. Yu, K. Goh, H. Wang, L. Wei, W. Jiang, Q. Zhang, L. Dai, Y. Chen, Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 555.
G. Li, L. Anderson, Y. Chen, M. Pan, P.-Y. A. Chuang, Sustainable Energy Fuels 2018, 2, 237.
T. Kim, W. Choi, H.-C. Shin, J.-Y. Choi, J. M. Kim, M.-S. Park, W.-S. Yoon, J. Electrochem. Sci. Technol. 2020, 11, 14.
S. M. Sze, K. K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, Wiley, New York 2006.
W. S. Yun, S. W. Han, S. C. Hong, I. G. Kim, J. D. Lee, Phys. Rev. B 2012, 85, 033305.
A. Chernikov, T. C. Berkelbach, H. M. Hill, A. Rigosi, Y. Li, B. Aslan, D. R. Reichman, M. S. Hybertsen, T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 076802.
Z. Peng, X. Chen, Y. Fan, D. J. Srolovitz, D. Lei, Light: Sci. Appl. 2020, 9, 190.
A. C. Riis-Jensen, J. Lu, K. S. Thygesen, Phys. Rev. B 2020, 101, 121110.
S. Park, T. Schultz, D. Shin, N. Mutz, A. Aljarb, H. S. Kang, C.-H. Lee, L.-J. Li, X. Xu, V. Tung, E. J. W. List-Kratochvil, S. Blumstengel, P. Amsalem, N. Koch, ACS Nano 2021, 15, 14794.
C. Berthod, H. Zhang, A. F. Morpurgo, T. Giamarchi, Phys. Rev. Res. 2021, 3, 043036.
A. M. O'Mahony, D. S. Silvester, L. Aldous, C. Hardacre, R. G. Compton, J. Chem. Eng. Data 2008, 53, 2884.
S. Doblinger, T. J. Donati, D. S. Silvester, J. Phys. Chem. C 2020, 124, 20309.
Y. Katayama, H. Onodera, M. Yamagata, T. Miura, J. Electrochem. Soc. 2004, 151, A59.
P. A. Bobbert, A. Sharma, S. G. Mathijssen, M. Kemerink, D. M. de Leeuw, Adv. Mater. 2012, 24, 1146.
S. Thiemann, S. Sachnov, S. Porscha, P. Wasserscheid, J. Zaumseil, J. Phys. Chem. C 2012, 116, 13536.
J. Jeong, N. Aetukuri, T. Graf, T. D. Schladt, M. G. Samant, S. S. Parkin, Science 2013, 339, 1402.
H. Wang, A. Prakash, K. Reich, K. Ganguly, B. Jalan, C. Leighton, APL Mater. 2020, 8, 071113.