Propiedades infrarrojas y modulación de onda de terahercios de grafeno / ferrita MnZn / heterouniones p-Si
Resumen
Se depositaron películas delgadas de ferrita de MnZn sobre sustrato de p-Si y se utilizaron como capa dieléctrica en el transistor de efecto de campo de grafeno para aplicaciones de dispositivos de infrarrojos y terahercios. Las condiciones para la deposición de película delgada de ferrita de MnZn se optimizaron antes de la fabricación del dispositivo. Las propiedades infrarrojas y la modulación de la onda de terahercios se estudiaron a diferentes voltajes de puerta. Las películas delgadas de ferrita MnZn resistivas y magnéticas son altamente transparentes para la onda THz, lo que hace posible modular magnéticamente la onda THz transmitida a través de la gran magnetorresistencia de la monocapa de grafeno.
Antecedentes
Los dispositivos de infrarrojos (IR) y terahercios (THz) son muy importantes para muchos sistemas electrónicos como el radar [1], la comunicación inalámbrica [2] y los sistemas de seguridad [3]. Por lo tanto, es fundamental explorar los materiales [4, 5, 6, 7] y las estructuras [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14] que se pueden utilizar en el rango de infrarrojos y terahercios. Recientemente, se ha descubierto que la transmisión de la onda THz puede modularse con un transistor de efecto de campo de grafeno (GFET) ajustando las transiciones intrabanda de la monocapa de grafeno [8]. En su modulador GFET THz original, B. Sensale-Rodeiguez y sus compañeros de trabajo usan 92 nm SiO 2 como el material dieléctrico de la puerta, que alcanzó una profundidad de modulación del 15% y una velocidad de modulación de 18 Kb / s de onda THz [8]. D. Zhang y sus colaboradores investigaron la modulación óptica THz del grafeno / SiO 2 (150 nm) / p-Si GFET, que puede ajustarse mediante voltaje de puerta [15].
Más tarde, se descubrió que la modulación de onda THz de GFET podría mejorarse reemplazando el dieléctrico de la puerta con Al 2 de alta k y densa O 3 película delgada, que crece por deposición de la capa atómica [16]. Se logró una profundidad de modulación del 22% y una velocidad de 170 kHz en el grafeno / Al 2 O 3 (60 nm) / p-Si GFET variando el voltaje de la puerta [16]. La modulación mejorada se atribuye a la reducción de la dispersión de impurezas de Coulomb y al efecto de cavidad [16]. Además, mediante el uso de YIG bi-dopado (k ~ 12.0) como materiales dieléctricos en la heteroestructura de grafeno / Bi:YIG (50 nm) / p-Si, se logró una profundidad de modulación del 15% y una velocidad de 200 kHz de 0,1 a 1,2 THz aplicando voltaje de puerta [17].
Según estudios anteriores, la capa dieléctrica puede afectar en gran medida el rendimiento de GFET que se utilizó para THz y dispositivos de ondas infrarrojas. Al seleccionar cuidadosamente los materiales dieléctricos, es posible ajustar el rendimiento de GFET. En estudios anteriores, se utilizaron capas dieléctricas no magnéticas de alta k para dispositivos GFET de terahercios e infrarrojos, donde se extrae o aplica la señal eléctrica. Sin embargo, las capas bifuncionales magnéticas y dieléctricas no se han estudiado para GFET para aplicaciones de terahercios e infrarrojos, que podrían sintonizarse mediante un campo magnético externo. Aquí, presentamos películas delgadas de ferrita MnZn pulverizada de 150 nm como los materiales dieléctricos de GFET para THz y aplicaciones infrarrojas. Como materiales magnéticos y de alto k [18], las películas delgadas de ferrita de MnZn podrían funcionar como una capa dieléctrica excelente y también introducir nuevas funcionalidades en los dispositivos GFET THz e infrarrojos. La respuesta del grafeno / ferrita MnZn / p-Si GFET a la iluminación infrarroja se observó comparando las curvas I-V con y sin iluminación infrarroja en diferentes polarizaciones de puerta. Mientras tanto, el GFET logró la modulación eléctrica de la onda THz a medida que se variaba el voltaje de la puerta. También se observó un cambio sutil de la onda THz transmitida a medida que se variaba el campo magnético externo.
Métodos
Mn 1-x Zn x Fe 2 O 4 Se prepararon películas delgadas mediante pulverización catódica con magnetrón de RF. El material objetivo se produjo por coprecipitación de Fe (NO 4 ) 3 , Mn (NO 4 ) 3 y Zn (NO 4 ) 2 solución, que se calcina a 950-1000 ° C durante 2 h, luego se prensa en un disco de 60 mm y finalmente se sinteriza a 1250 ° C durante 3,5 h. Las películas se depositaron sobre sustratos de (100) p-Si a 200-300 ° C bajo una presión base de 4 × 10 −4 Pa y concentración de oxígeno de 0 a 25% (P O2 / (P O2 + P Ar )). La película (150 nm) se recoció al vacío entre 400 y 700 ° C bajo una presión de 0.08 Pa – 5.0 Pa durante 1.5 h.
Las estructuras cristalinas de Mn 1-x Zn x Fe 2 O 4 Las películas delgadas se caracterizaron utilizando difracción de rayos X de Cu Kα (XRD, difractómetro de rayos X de la serie D / max 2400 X, Tokio, Japón) a 40 kV y 100 mA. Las microestructuras del Mn 1-x Zn x Fe 2 O 4 Las películas delgadas se investigaron utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM:JOEL JSM6490LV). La rugosidad media aritmética de la superficie (Ra) y la rugosidad cuadrática media (RMS) se han medido con un microscopio de fuerza atómica (AFM:Veeco Mutimode Nano4). La inducción de saturación fue probada por un analizador Iwatsu BH (SY8232). Las propiedades magnéticas de las películas se midieron con un magnetómetro de muestra vibrante (VSM, MODELO:BHV-525).
Después de optimizar las condiciones de crecimiento de Mn 1-x Zn x Fe 2 O 4 A continuación, se transfirieron películas delgadas sobre p-Si, monocapas de grafeno de una lámina de cobre al Mn 1-x Zn x Fe 2 O 4 películas delgadas para formar heteroestructuras de grafeno / ferrita MnZn / p-Si. El grafeno se fabricó mediante el método de deposición química en fase de vapor (CVD) en un horno tubular [19]. El método de transferencia de monocapa de grafeno se adaptó de la referencia [20]. Para fabricar el GFET, el electrodo de puerta, fuente y drenaje se depositó por evaporación de oro. La estructura del GFET que usa ferrita MnZn como material dieléctrico de puerta se muestra en el esquema 1. El GFET se caracterizó luego por un analizador de parámetros de semiconductores (Agilent 4155B) con una estación de sonda (SUMMIT 1100B-M). Para la caracterización IR, las curvas I-V se midieron bajo la iluminación IR ( λ =915 nm, P =1 W), que se comparó con el del ambiente oscuro. La transmisión de ondas de terahercios se midió mediante un sistema de dominio de tiempo THz (TDS) tras la aplicación de voltaje de puerta y / o campo magnético externo. El campo magnético externo es generado por una bobina de cobre hecha en casa.
El GFET utiliza una película delgada de ferrita de MnZn de 150 nm como material dieléctrico de la puerta
Resultados y discusión
La Figura 1 muestra los patrones XRD del Mn 1-x Zn x Fe 2 O 4 ferritas películas delgadas sobre sustratos de p-Si (100) pulverizados bajo potencias de RF de 100, 120, 140, 160 y 180 W, respectivamente. La estructura de espinela de películas delgadas de ferrita de MnZn se obtuvo con diferentes poderes de pulverización catódica. El pico de difracción (311) es el más fuerte, lo que indica la mejor cristalinidad a un poder de deposición de 160 W. La tabla 1 muestra la rugosidad media aritmética de la superficie (Ra) y la rugosidad cuadrática media (RMS), y la longitud y el ancho de los granos máximos de las películas de ferrita sobre los sustratos de p-Si (100). Como se muestra en la Tabla 1, la rugosidad de la superficie (Ra y RMS) de las películas delgadas de ferrita MnZn aumenta con la potencia de RF. Sin embargo, una potencia de RF muy baja afectará a la formación de películas delgadas de ferrita de MnZn. La rugosidad de las películas delgadas de ferrita MnZn afectaría el rendimiento de los dispositivos GFET IR y THz, que discutiremos más adelante.
Patrones XRD de muestras en sustrato p-Si (100) y pulverizadas bajo diferentes potencias de pulverización catódica de magnetrón RF 100, 120, 140, 160 y 180 W
Las imágenes SEM y AFM de las películas delgadas de ferrita de MnZn sobre sustratos de p-Si se muestran en la Fig. 2. Los granos de las películas delgadas de ferrita de MnZn se pudieron observar claramente. Después del recocido, el tamaño de grano aumenta como se muestra en la Fig. 2b, d. La Figura 3a muestra los patrones XRD de las películas delgadas de ferrita MnZn recocidas a diferentes temperaturas. El pico (311) de la película delgada de ferrita de MnZn es el más fuerte cuando la película se templa a 550 ° C. Los bucles de histéresis magnética de estas películas delgadas también se midieron mediante VSM a temperatura ambiente y se muestran en la Fig. 3b, a partir de la cual la magnetización de saturación ( Ms ) y coercitividad magnética ( Hc ) son obtenidas. La figura 3c muestra la Ms y Hc de las películas delgadas de ferrita de MnZn recocidas bajo la presión de gas nitrógeno hasta 4 Pa. Por debajo de 3 Pa, el valor más alto de Ms y el Hc más bajo se obtienen a 0,5 Pa. Por encima de 3 Pa, los Ms disminuyen drásticamente, lo que podría deberse a la reacción entre el gas nitrógeno y la película delgada. La figura 3d muestra a Sra. y Hc de la película delgada de ferrita en función de la temperatura de recocido a una presión de nitrógeno de 1,5 Pa. La Ms ( Hc ) de las películas delgadas de MnZn alcanza el valor máximo (mínimo) de 330 kA / m (1600 A / m =20 Oe) a 550 ° C. El máximo de Ms y el mínimo de Hc correspondiente a la mejor cristalinidad de las películas delgadas de MnZn, que concuerda con los datos de XRD en la Fig. 3a. A mayor temperatura y presión de gas, los átomos de la superficie de la película delgada se nitruraron en impurezas, que deterioran las propiedades magnéticas de la película delgada de ferrita MnZn. Como resultado, las películas delgadas de MnZn se prepararon a una temperatura de recocido de 550 ° C y bajo una presión de vacío por debajo de 3 Pa.
Imágenes SEM de ( a ) tal como está depositado y ( b ) película fina de ferrita de MnZn recocida, ( c ) y ( d ) muestra las imágenes AFM correspondientes
Caracterización de películas delgadas de MnZn pulverizado. ( a ) Patrones XRD y ( b ) bucles de histéresis de películas delgadas de MnZn recocidas a 350, 450, 550, 650 y 750 ° C. Magnetización de saturación ( Ms ) de las películas delgadas de MnZn cuando se recocen bajo la presión de 0,0 Pa a 4,5 Pa en ( c ) y temperatura de 450 a 700 ° C en ( d )
El grafeno cultivado en la misma lámina de cobre se transfirió luego a películas delgadas de ferrita de MnZn para hacer GFET con la estructura que se muestra en el Esquema 1. Aquí, fabricamos GFET con películas delgadas de ferrita de MnZn pulverizadas a 100 y 150 W y recocidas en las condiciones óptimas como se discutió anteriormente. . La Figura 4a, b muestra la corriente eléctrica medida entre el drenaje y la fuente en función del voltaje de puerta aplicado para los dos GFET. Durante la medición, la tensión aplicada entre la fuente y el drenaje se mantiene constante a 1 V. La corriente aumenta gradualmente a medida que aumenta negativamente la tensión de la puerta. La corriente cambia muy lentamente cuando el voltaje de la puerta está polarizado positivamente. Las características asimétricas I-V de los dos GFET podrían ser el resultado de la emisión termoiónica y la formación de túneles entre bandas en las uniones entre las regiones cerradas y de acceso [21]. La resistencia del grafeno en la película fina de ferrita MnZn pulverizada de 100 W es mucho menor que la de la película fina pulverizada de 150 W con la misma polarización de la puerta, en comparación con la Fig. 4a, b. La mayor resistencia en la Fig. 4b podría ser el resultado de una mayor rugosidad de las películas delgadas de ferrita MnZn pulverizada de 150 W, en comparación con la Tabla 1. La rugosidad inducida por la ondulación de la monocapa de grafeno podría suprimir el transporte de portadores de carga, lo que lleva a una mayor resistencia. [22].
Caracterización IR. ( a ) y ( b ) Yo sd -V sg curvas del GFET con película fina de ferrita MnZn pulverizada a 100 y 150 W, respectivamente. ( c ) y ( d ) compara el I sd -V sg curvas bajo iluminación IR y sin iluminación. El voltaje aplicado entre la fuente y el drenaje es de 1.0 V para todas las curvas
La Figura 4c, d muestra la comparación de las curvas I-V en ambiente oscuro e iluminación infrarroja para GFET usando películas delgadas de ferrita MnZn pulverizada de 100 y 150 W, respectivamente. La luz infrarroja tiene una longitud de onda de 915 nm y una potencia de 1 W en una ventana de ~ 1 cm 2 . El voltaje aplicado entre la fuente y el drenaje es 1 V. La curva I-V del GFET bajo iluminación infrarroja es análoga a la medida en el ambiente oscuro, sin embargo, con una corriente significativamente mejorada. La mejora es mucho más fuerte para el GFET que usa películas delgadas de ferrita MnZn pulverizada de 100 W como capa dieléctrica que la que usa una película fina de ferrita MnZn pulverizada de 150 W. La mejora es ~ 7,5 veces a un voltaje de puerta de 10 V para una película delgada de ferrita de MnZn pulverizada catódica de 100 W, que es ~ 2,5 veces para la película fina de ferrita MnZn pulverizada catódica de 150 W. Es decir, la rugosidad de la superficie de las películas delgadas de ferrita de MnZn también podría afectar las propiedades optoelectrónicas infrarrojas.
A continuación, se utilizó el GFET con películas delgadas de ferrita de MnZn pulverizada catódica de 100 W para examinar las propiedades de modulación de las ondas THz. La figura 5a muestra la transmitancia de ondas THz a través del GFET tras la aplicación de diferentes polarizaciones de puerta. La transmitancia se midió mediante un pulso THz utilizando un sistema THz-TDS, y la transmitancia en el dominio de la frecuencia se obtuvo mediante la transformación de Fourier utilizando aire como línea de base. Cuando el voltaje de la puerta varía de 25 V a -25 V, la resistencia entre la fuente y el drenaje disminuye, como se muestra en la Fig. 4a. La reducción de la resistencia da como resultado la transmitancia reducida de la onda THz, como se muestra en la Fig. 5a. . Es decir, la transmisión de la onda THz podría modularse aplicando un voltaje de puerta diferente del GFET. La onda THz transmitida también se midió cuando se aplicó un campo magnético externo, que se muestra en la Fig. 5b. A medida que aumenta el campo magnético externo, disminuye la intensidad de la onda THz transmitida, que se satura por encima de 50 Oe. El cambio de la intensidad transmitida de la onda THz bajo un campo magnético externo podría deberse a la gran magnetorresistencia del grafeno [23]. La delgada película de ferrita de MnZn que se encuentra debajo proporciona un fuerte campo de franjas al ser magnetizado por un campo magnético externo. La magnetorresistencia de la hetrounión grafeno / ferrita MnZn / p-Si se muestra en el archivo adicional 1:Figura S1 en la información complementaria. Sin embargo, la modulación de la onda de terahercios es sutil (5%), lo que podría deberse a la superficie irregular de las películas delgadas de ferrita de MnZn y / o al pequeño cambio de modulación de terahercios con resistencia. El grafeno podría sentir un campo de franjas mucho más fuerte y uniforme en una película delgada de ferrita de MnZn extremadamente suave, que podría tener una mayor magnetorresistencia del grafeno y proporcionar una mayor profundidad de modulación por campo magnético externo.
Caracterización de THz. ( a ) El espectro de transmitancia de THz de 0,2 a 1,0 THz a diferentes voltajes de puerta de −25 a 25 V, y ( b ) el espectro de dominio de frecuencia bajo diferentes campos magnéticos externos de 0,63 a 0,70 THz
Conclusiones
Se fabricó heteroestructura de grafeno / ferrita MnZn / p-Si para aplicaciones de dispositivos IR y THz. La película delgada de ferrita de MnZn se depositó sobre el p-Si mediante pulverización catódica con magnetrón, que se recoció antes de usarse para la fabricación de GFET. Las películas delgadas de ferrita de MnZn proporcionan un material dieléctrico alternativo para los dispositivos GFET IR y THz. Como película delgada magnética y de alta resistencia, puede fortalecer la magnetorresistencia del grafeno y la modulación de THz transmitido sin introducir una pérdida de inserción adicional. La rugosidad de la superficie de la película delgada de ferrita MnZn puede afectar en gran medida el rendimiento de los dispositivos IR y THz. Se podría lograr un mayor rendimiento haciendo que la película delgada de ferrita de MnZn sea más suave. Ese trabajo está en curso.
Nanomateriales
- Grafeno en altavoces y auriculares
- Preparación y propiedades magnéticas de nanopartículas de espinela de FeMn2O4 dopadas con cobalto
- Hacia los nanofluidos de TiO2:Parte 1:Preparación y propiedades
- Modulación de las propiedades de anisotropía óptica y electrónica de ML-GaS por campo eléctrico vertical
- Control de no linealidad dual de las propiedades de modo y dispersión en la guía de ondas plasmónica de grafeno-dieléctrico
- Bioseguridad y capacidad antibacteriana del grafeno y el óxido de grafeno in vitro e in vivo
- Efecto sinérgico del grafeno y los MWCNT en la microestructura y las propiedades mecánicas de los nanocompuestos de Cu / Ti3SiC2 / C
- Evaluación de estructuras de grafeno / WO3 y grafeno / ceO x como electrodos para aplicaciones de supercondensadores
- Mejora de la absorción y modulación de frecuencia del microbolómetro THz con estructura de micropuente mediante antenas de tipo espiral
- Síntesis sonoquímica de un solo paso y propiedades fotocatalíticas fáciles de compuestos de puntos cuánticos de grafeno / Ag3PO4
- Preparación de polimerización in situ de nanocompuesto de polietileno / grafeno de peso molecular ultra alto mediante una estructura esférica y en sándwich Soporte de grafeno / Sio2