La fabricación de nanomambas de grafeno uniformes de gran superficie para la detección directa de terahercios a temperatura ambiente y alta velocidad

Antecedentes

Grafeno, una sola capa de sp ² -película de carbono hibridado, ha atraído gran atención en los últimos años, ya que posee propiedades optoelectrónicas únicas, como alta movilidad de portadora, banda prohibida cero y absorción independiente de la frecuencia. Estas propiedades facilitan sus posibles aplicaciones en el campo de la nanoelectrónica, nanocomposites, sensores químicos, biosensores y fotodetectores [1,2,3,4,5,6]. Sin embargo, la brecha de energía cero del grafeno limita sus aplicaciones en dispositivos electrónicos y fotónicos. En consecuencia, es muy deseable abrir la brecha de energía del grafeno y, a su vez, mejorar la I _en / Yo _desactivado ratio [7]. Es universalmente reconocido que la banda prohibida del grafeno se puede ajustar mediante varios métodos, incluida la aplicación de un campo eléctrico (o magnético) al grafeno bicapa [8, 9], el dopaje químico [10], la aplicación de tensión [11], y remodelación de la nanoestructura del grafeno [12,13,14]. Por ejemplo, en 2017, Cheng et al. introdujo el grafeno químicamente regulativo con heteroátomos incorporados en la red en forma de panal y demostró nanohojas adaptadas a la microestructura (por ejemplo, puntos cuánticos 0D, nanocintas 1D y nanomambras 2D), que ampliaron la banda prohibida e indujeron propiedades químicas y físicas especiales del grafeno, presentando además aplicaciones prometedoras en actuadores y generadores de energía [15]. Sin embargo, entre todos los métodos que sintonizaron la banda prohibida del grafeno, remodelar la nanoestructura del grafeno es actualmente la forma más conveniente [16], ya que minimiza las propiedades electrónicas inherentes del grafeno [17]. Las propiedades del grafeno se reforman cuando se escala a nanoestructuras, como un nanoribbon de grafeno (GNR) [18,19,20], nanorrenado de grafeno y nanomolde de grafeno [21,22,23,24]. Sun y col. propuso un método simple para abrir una brecha de banda comparable en el grafeno reduciéndolo a un GNR y lo empleó en FET, logrando grandes I _en / Yo _desactivado proporciones de ~ 47 y ~ 105 a temperatura ambiente y 5,4 K, respectivamente [12]. Sin embargo, la fabricación de GNR largos y estrechos es difícil, lo que será un obstáculo en la aplicación de dispositivos nanoelectrónicos. La nanoestructura de grafeno (GNM), una nanoestructura más simple de fabricar, puede abrir una banda prohibida en grandes láminas de grafeno, y los FET basados ​​en GNM pueden soportar corrientes casi 100 veces mayores que los dispositivos GNR individuales [25]. En 2017, Yang et al. utilizó una sílice mesoporosa (meso-SiO ₂ ) plantilla para la preparación de GNM FET con relaciones de activación / desactivación mejoradas, construyendo biosensores altamente sensibles para la detección selectiva del receptor 2 del factor de crecimiento epidérmico humano. Esto demostró además que es un método eficaz para adaptar el grafeno al GNM para abrir la banda brecha [26]. En general, los GNM pueden fabricarse mediante litografía de nanoimpresión, tecnología de litografía asistida por plantilla y crecimiento autoorganizado [27]. El grupo de Haghiri informó sobre la fabricación de una GNM de gran superficie aplicada a la detección de ADN sin etiquetas mediante litografía por nanoimpresión [22]. Sin embargo, el ancho del cuello del GNM era demasiado grande (~ 260 nm) para abrir la brecha de energía. Zang y col. demostró un método novedoso asistido por plantilla para preparar GNM utilizando una membrana de óxido de aluminio anódico como máscara de patrón con la ayuda de O ₂ grabado con plasma [28]. La mayoría de los GNM se preparan prefabricando una plantilla nanoestructurada o nanopartículas como máscara protectora para remodelar la capa de grafeno. Sin embargo, la síntesis de la nanomáscara es relativamente compleja y el ancho del cuello del GNM es difícil de controlar para realizar la fabricación de matrices uniformes a gran escala.

Aquí, matrices uniformes a gran escala de nanomedias de grafeno rectangulares (r-GNM) y nanomedias de grafeno circulares (c-GNM) con diferentes anchos de cuello se modelaron con éxito mediante litografía por haz de electrones (EBL). Además, se fabricaron detectores de terahercios basados ​​en GNM sobre la base del efecto fotoconductor del grafeno. Se realizaron mediciones eléctricas a temperatura ambiente para obtener más información sobre el efecto del ancho del cuello en nuestros GNM sobre el rendimiento de los detectores, lo que ilustró que los dispositivos con diferentes anchos de cuello del GNM poseían diferentes I _en / Yo _desactivado ratios y intervalos de banda. Se observó que la corriente de los dispositivos basados ​​en c-GNM era mayor que la de los dispositivos basados ​​en r-GNM mientras que el I _en / Yo _desactivado la razón corriente fue menor; esto podría atribuirse a una mayor rugosidad de los bordes en r-GNM. Posteriormente, también se midieron las fotocorrientes en terahercios de dispositivos r-GNM con diferentes tamaños, demostrando el efecto fotoconductor de esta novedosa estructura. Finalmente, se demostró la aplicación de imágenes de terahercios basadas en los dispositivos r-GNM utilizando un sistema de imágenes bifocales.

Sección experimental

Fabricación de detectores

El grafeno de una sola capa de gran superficie se cultivó mediante deposición de vapor químico sobre un sustrato de cobre. Luego fue transferido a p fuertemente dopado. -sustratos de Si con un SiO ₂ de 285 nm capa utilizando técnicas de transferencia en húmedo asistidas por polimetilmetacrilato (PMMA) [29]. Los electrodos fuente y de drenaje (Au de 50 nm de espesor) se depositaron sobre el grafeno mediante evaporación por haz de electrones seguida de una técnica estándar de despegue de metal. La distancia de separación entre los dos electrodos fue de 14 µm. En el segundo paso, utilizamos la tecnología EBL para fabricar dos tipos de grafeno de nanomaespa:r-GNM y c-GNM. La ruta de fabricación de EBL de r-GNM y c-GNM se ilustra en la Fig. 1. Después de la transferencia de grafeno al sustrato, la resistencia de haz de electrones positiva, PMMA, se centrifugó sobre la muestra de grafeno y se modeló para formar un grabado. máscara. La forma y el tamaño deseados pueden ser determinados por la máscara. Después de eso, el grafeno expuesto al aire se grabó utilizando plasma de oxígeno a 5 Pa y 100 W durante 5 s. Luego, se utilizó una solución de isopropanol a metil isobutil cetona (3:1) para eliminar el PMMA, seguido de la deposición de nitruro de silicio (Si ₃ N ₄ ) dieléctricos de compuerta por deposición química en fase de vapor mejorada con plasma (PECVD). Finalmente, el electrodo de puerta se depositó sobre el Si ₃ N ₄ mediante un método de evaporación por haz de electrones.

Ilustración del proceso de fabricación de un GNM por EBL

Análisis de muestra

La morfología y estructura del r-GNM y c-GNM sintetizados se caracterizaron mediante microscopía electrónica de barrido (Hitachi, S-4800). Las propiedades eléctricas de los detectores se caracterizaron mediante un analizador de parámetros de semiconductores (Agilent, 4294A) a temperatura ambiente, mientras que las características ópticas de los dispositivos se probaron mediante el sistema de medición óptica casero.

Resultados y discusión

En la figura 2a se muestra una ilustración esquemática de los detectores de terahercios fabricados basados ​​en c-GNM. Los electrodos de fuente y drenaje se depositaron en el SiO ₂ / Sustrato de Si con el grafeno de una sola capa que se cortó del c-GNM. La estructura geométrica típica del c-GNM se muestra en la Fig. 2b. Los GNM continuos de gran área con longitudes de 20 μm y anchos de 60 μm se utilizaron como canal. Como el grafeno es una capa única de estructura atómica, para reducir el daño en la producción de la capa de óxido, elegimos el nitruro de silicio (Si ₃ N ₄ ) proceso PECVD a baja temperatura para hacer la capa dieléctrica. Una ventaja adicional de los aislantes de nitruro de silicio sobre el óxido de silicio para dispositivos de grafeno es su frecuencia de fonón óptico polar de superficie más alta ∼ 110 frente a ∼ 56 meV para el óxido de silicio, lo que debería disminuir la importancia de la dispersión de fonones inelásticos remotos en el canal de grafeno [30]. Para investigar más a fondo los dispositivos con diferentes nanoestructuras, también se prepararon los detectores de terahercios basados ​​en r-GNR, y la ilustración esquemática se muestra en la Fig. 2c. " W ”En la Fig. 2b, d son los valores de ancho del cuello, definidos como la distancia mínima entre los nanoagujeros más adyacentes, que es el parámetro más crítico en el GNM.

un Ilustración esquemática de los detectores de terahercios fabricados basados ​​en c-GNM. b El esquema estructural de c-GNM, donde W es el ancho del cuello. c Ilustración esquemática de los detectores de terahercios fabricados basados ​​en r-GNM. d El esquema estructural de r-GNM

Las mediciones eléctricas se realizaron a temperatura ambiente para obtener más información sobre el efecto del ancho del cuello en nuestro GNM sobre el rendimiento de los detectores. Aquí, cuatro matrices r-GNM y c-GNM con anchos de cuello de 30, 40, 50 y 60 nm, respectivamente, fueron modeladas por EBL. La Figura 3a presenta las imágenes SEM de r-GNM con varios anchos de cuello. La Figura 3b ilustra los c-GNM con varios anchos de cuello. En este trabajo, el ancho del cuello del GNM es consistente con el diseño de la disposición al controlar el tiempo de grabado y el poder de grabado. Durante el enfoque de las fotos SEM, el electrón de escaneo tiene un cierto efecto sobre el grafeno, lo que conduce a la diferencia en el color de la imagen SEM del grafeno, pero la morfología de la malla y el tamaño de la nanomilla de grafeno no se verán afectados. Como muestran claramente estas imágenes, tanto las matrices c-GNM como las matrices r-GNM podrían fabricarse uniformemente a gran escala utilizando EBL.

un Imágenes SEM de c-GNM con anchos de cuello de (i) 60, (ii) 40, (iii) 50 y (iv) 30 nm. b Imágenes SEM de r-GNM con anchos de cuello de (i) 60, (ii) 40, (iii) 50 y (iv) 30 nm

Para investigar las propiedades electrónicas del GNM, se fabricaron dispositivos FET basados ​​en los GNM con anchos de cuello de 30, 40, 50 y 60 nm, respectivamente. Hasta cierto punto, el GNM podría considerarse como una red altamente interconectada de GNR, y tanto el trabajo teórico como el experimental han demostrado que el tamaño de la banda prohibida de conducción es inversamente proporcional al ancho de la cinta. Es decir, un cuello más estrecho obtendrá suficiente energía de banda prohibida para una respuesta de puerta suficiente y una relación de encendido-apagado, y una estructura de malla más densa podría permitir una mayor entrega de corriente [25].

La figura 4a muestra las características de transferencia en V _ds =2 V para los dispositivos basados ​​en c-GNM con diferentes anchos de cuello de 30, 40, 50 y 60 nm, a partir de los cuales podríamos determinar la I correspondiente _en / Yo _desactivado proporciones de ~ 40, ~ 25, ~ 5 y ~ 4, respectivamente. Las características de transferencia para los dispositivos basados ​​en r-GNM con diferentes anchos de cuello de 30, 40, 50 y 60 nm se presentan en la Fig. 4b. Comparando las Fig. 4a, b, podemos ver que la corriente de conducción de los c-GNM es mucho mayor que la de los r-GNM (aproximadamente dos veces). Como resultado de GNM se puede ver como una estructura de red interconectada de grafeno, el área real de c-GNM que entrega la corriente es mayor que la de r-GNM, esto conduce a una corriente de c-GNM mayor que r-GNM bajo el mismas condiciones. Además, el I _en / Yo _desactivado Las proporciones de r-GNM con diferentes anchos de cuello de 30, 40, 50 y 60 nm obtenidas fueron ~ 100, ~ 25, ~ 8 y ~ 3, respectivamente, lo que indica que el I _en / Yo _desactivado La relación de los dispositivos basados ​​en GNM se puede ajustar fácilmente variando el ancho del cuello, que juega un papel importante en las propiedades de transporte de carga. Se observó que los dispositivos basados ​​en GNM en esta carta poseían mayor I _en / Yo _desactivado proporciones que muchos otros dispositivos basados ​​en GNR con anchos más pequeños [17]. Dado que el GNM puede considerarse una red interconectada de GNR, la generación de la banda prohibida también se debe a múltiples factores, incluido el confinamiento cuántico lateral [31] en la dirección de transmisión y un bloqueo de Coulomb [32] resultante del defecto o rugosidad del borde. [33]. Un yo tan grande _en / Yo _desactivado La relación de corriente puede resultar del efecto de canal largo:las estructuras netas de los GNM aumentaron el canal de conducción del dispositivo, el límite de los nanoagujeros internos mejoró el confinamiento cuántico [34] y los efectos de localización fueron causados ​​por defectos de borde, como el borde desorden [35] y / o especies absorbidas en el carbono que cuelga π -uniones en los nanoagujeros internos [36, 37]. El límite interno de los r-GNM es mucho mayor que el de los c-GNM debido a las diferentes geometrías. Además, el borde circular del c-GNM posee más defectos, lo que hace que el confinamiento cuántico lateral sea más notable para aumentar la banda prohibida. Estos también pueden explicar por qué I _en / Yo _desactivado La relación actual de los r-GNM es mayor que la del c-GNM. De la Fig. 4a, b, se determina que los dispositivos basados ​​en r-GNM y c-GNM exhibieron una conductancia clara con un valor mínimo correspondiente al punto de Dirac en aproximadamente - 5 V. El voltaje umbral se obtiene usando el voltaje en el tiempo de conducción menos el voltaje del punto neutro. En las Fig. 4a, b, podemos ver que el voltaje umbral del dispositivo es de aproximadamente 15 V para c-GNM y r-GMN de tamaño de 30 nm. La conductividad homóloga obtenida se muestra en la Fig. 4c. Los electrodos del dispositivo están hechos directamente sobre el grafeno original. Solo el grafeno entre los canales se convierte en nanomedicina, y la resistencia de contacto entre el electrodo de metal y la parte inferior del grafeno prístino semimetálico es relativamente pequeña. La resistencia del canal es principalmente la resistencia de la nanomola de grafeno. Debido a una relación de trabajo de área más grande en la misma área del canal conductor, se encontró que las conductividades de los dispositivos basados ​​en c-GNM eran más altas que las de los dispositivos basados ​​en r-GNM. En comparación con los GNR [38] u otros GNM [39] que se informaron anteriormente, nuestras muestras c-GNM y r-GNM pueden entregar una corriente más alta debido a su gran área y tamaño uniforme.

Características de transferencia ( I _ds - V _g ) de los dispositivos basados ​​en a c-GNM y b r-GNM con diferentes anchos en V _ds =2 V. La V _Th (el valor del voltaje de conducción menos el valor del voltaje del punto neutro) del dispositivo de 30 nm es de aproximadamente 15 V. c Conductividad frente al ancho del cuello para r-GNM (negro) y c-GNM (rojo)

La Figura 5a muestra el diagrama esquemático de bandas de energía para GNR con electrodos de fuente y drenaje. Los niveles de fuente y drenaje se acercan a los bordes de la banda de conducción y valencia, respectivamente, con un aumento en el voltaje fuente-drenaje ( V _DS ). Cuando el borde de la banda de conducción (valencia) cae en la ventana de polarización entre la fuente y los electrodos de drenaje, se inyectan electrones (huecos) desde la fuente (drenaje) y la corriente I sube bruscamente. El voltaje de la puerta ajusta la posición del espacio en relación con los niveles de fuente-drenaje. Curvas de I _DS versus V _DS en una V _GS polarización cerca del voltaje neutro de carga para r-GNM y c-GNM con anchos de cuello de 30 y 40 nm se ilustran en la Fig. 5b, c, que muestra claramente las regiones de "encendido" y "apagado", según la ubicación del nivel Fermi. Con un aumento en el ancho del cuello del GNM, el tamaño de la ventana de baja conductancia disminuyó. Para los r-GNM con anchos de 30 y 40 nm, se estimó que las brechas de energía eran de 0,23 y 0,17 eV, respectivamente (Fig. 5b). La Figura 5c ilustra que la banda prohibida de energía es de 0,19 y 0,16 eV para el c-GNM con anchos de 30 y 40 nm, respectivamente. Estos valores sugieren que la banda prohibida era inversamente proporcional a los anchos de cuello de los canales GNM, y la existencia de más defectos de borde en r-GNM puede mejorar la banda prohibida [23].

un Diagrama esquemático de bandas de energía para un GNR con electrodos fuente y drenaje. Curvas de I _DS versus V _DS en una V _GS polarización cerca del voltaje neutro de carga para b r-GNM y c c-GNM

Además, las propiedades optoelectrónicas de los dispositivos r-GNM fueron investigadas por el sistema óptico presentado en la Fig. 6a para realizar pruebas de fotocorriente para el r-GNM. En el sistema, se utilizó una fuente de cuerpo negro con un filtro de paso de banda de 3 THz para generar la radiación de terahercios, y medimos la a.c. Amplitudes de fotocorriente que se obtuvieron utilizando un amplificador de bloqueo referenciado a la frecuencia de corte. Se encontró que las amplitudes de fotocorriente eran casi nulas sin aplicar un voltaje de polarización de fuente-drenaje. Debido al contacto directo del electrodo metálico y el grafeno, la fotocorriente de los fotoportadores generada por la radiación era relativamente débil y se contrarrestaba entre sí, lo que resultaba en una fotocorriente externa de casi cero.

un Diagrama esquemático de la configuración experimental de la prueba de terahercios. b Curvas de fotocorriente I _Ph versus ancho de cuello de r-GNMs

Además, los pares de electrones y huecos generados en la GNM normalmente se recombinarían en un tiempo extremadamente reducido, sin contribuir a la fotocorriente. Por lo tanto, la fotocorriente de detección existía con un voltaje externo para separar los pares electrón-hueco fotogenerados antes de que se recombinaran. En la investigación reportada aquí, se aplicó un voltaje de fuente-drenaje de 0.2 V, y se obtuvieron fotocorrientes de 0.28, 0.32, 0.4 y 0.93 nA bajo radiación de 3 THz, como se muestra en la Fig. 6b, correspondientes a diferentes dispositivos r-GNM con anchos de cuello de 30, 40, 50 y 60 nm, respectivamente. En particular, la fotocorriente aumentó bruscamente a 0,93 desde 0,4 nA. Como se informó anteriormente, la tasa de absorción de grafeno en luz visible es de aproximadamente 2,3%, lo que puede considerarse como el efecto termoeléctrico [40]. Mientras estaba bajo irradiación de ondas electromagnéticas con energía por debajo del IR, se encontró que el calentamiento térmico del grafeno causado por la absorción del láser disminuía la conductividad del grafeno, lo que contribuyó a la razón por la cual los efectos térmicos se excluyeron como la causa del aumento de la fotocorriente del grafeno cuando se ilumina. . Los efectos fotoconductores significan que cuando la energía del fotón incidente coincide con la brecha de energía de los GNM, la brecha de energía puede inducir una separación mejorada de los excitones inducidos por fotones y una mayor eficiencia de extracción del portador, de modo que el valor de la fotocorriente aumenta bruscamente con un ancho de cuello de 60 nm.

Se empleó un detector de células Golay (TYDEX GC-1P) para calibrar la potencia de la fuente de luz para obtener la capacidad de respuesta en terahercios de nuestros dispositivos basados ​​en GNM. Se encontró que la capacidad de respuesta de los dispositivos r-GNM con un ancho de cuello de 60 nm era de 12 mA / W a temperatura ambiente.

Además, la prueba de imagen de la muestra clave se realizó con éxito colocando la muestra en un sistema de imagen de enfoque dual simple. Debido al límite máximo de movimiento (25 mm × 25 mm) del sistema de nanoposicionamiento, se obtuvo la imagen en terahercios de una parte, como se ilustra en la Fig. 7, mostrando claramente el perfil de la muestra clave. Además, la imagen en terahercios de la muestra clave se terminó escaneando continuamente 50 × 50 puntos con un tiempo total de aproximadamente 75 s, en el que el tiempo de respuesta para una sola detección es inferior a 20 ms. Este trabajo demuestra que nuestro dispositivo r-GNM se puede utilizar como detector de terahercios para obtener imágenes precisas y rápidas de muestras macroscópicas.

Comparación de una llave metálica entre una la imagen óptica y b la imagen de terahercios

Conclusiones

En conclusión, EBL procesó con éxito los FET con compuerta superior que empleaban arreglos de área grande de r-GNM y c-GNM ordenados con diferentes anchos de cuello. Los FET con compuerta superior se fabricaron con GNM continuo como canal conductor. A temperatura ambiente, se realizaron las mediciones eléctricas, que ilustraron que los dispositivos con diferentes anchos de cuello del GNM poseían diferentes I _en / Yo _desactivado ratios y brechas de energía. Especialmente, se encontró que los dispositivos basados ​​en r-GNM con un ancho de cuello de 30 nm poseían la mayor I _en / Yo _desactivado ratio, ~ 100, y la brecha energética se estimó en 0,23 eV. Aunque la corriente de los dispositivos basados ​​en c-GNM era mayor que la de los dispositivos basados ​​en r-GNM, el I _en / Yo _desactivado La relación de corriente fue menor, lo que puede deberse a la mayor rugosidad del borde en el r-GNM. Además, basándose en el efecto fotoconductor, se midió que la respuesta en terahercios del dispositivo basado en r-GNM era de 10 mA / W. Para aplicaciones prácticas de los dispositivos, se realizó un experimento de imágenes de terahercios a temperatura ambiente. Se descubrió que estos dispositivos se pueden aplicar para obtener imágenes precisas y rápidas de muestras macroscópicas.

Abreviaturas

c-GNM:

Nanomatilla de grafeno circular

EBL:

Litografía por haz de electrones

FET:

Transistores de efecto de campo

GNM:

Nanomatilla de grafeno

GNR:

Nanocintas de grafeno

MIBK:

Metil isobutil cetona

PECVD:

Deposición de vapor químico mejorada con plasma

PMMA:

Polimetacrilato de metilo

r-GNM:

Nanomaesca de grafeno rectangular

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