Análisis de mapeo Raman de resonadores de microanillos de silicio integrados con grafeno

Resultados y discusión

Para comprobar si habíamos transferido el grafeno de una sola capa, antes del estudio de mapeo Raman, también medimos la señal de dispersión Raman de un solo punto, Fig.1, inmediatamente después de la transferencia (utilizando un sistema Renishaw 1000 de 514 nm). Este espectro revela un pico Raman D débil que indica un bajo desorden estructural (grafeno de calidad razonablemente alta); un modo de dispersión 2D simétrico intenso (relativo al pico G); y una posición del pico G de ~ 1587 cm ⁻¹ . Esta combinación de un pico de dispersión 2D simétrico relativamente intenso y un pico de frecuencia G cercano al valor predicho, ω _G ( n ) =1581,6 + 11 / (1 + n ^1.6 ) donde n es el número de capa [23], confirma que el grafeno transferido es de hecho una sola capa [24]. La imagen óptica del MRR monocapa integrado con grafeno ( r =10 μm) se presenta en la Fig. 2a, by las regiones mapeadas para los picos de grafeno G y 2D se muestran en la Fig. 2a y la Fig. 2b, respectivamente. Las figuras 2c, d son los mapas de posición de pico G y 2D resultantes, que revelan cambios ascendentes de frecuencia (de hasta ~ 11 y ~ 8 cm ⁻¹ , respectivamente) donde el grafeno se asienta sobre la estructura de la guía de ondas MRR en relación con el lugar donde está suspendido.

Espectro de dispersión Raman de un solo punto (excitación de 514 nm) a partir del cual inferimos la transferencia de grafeno de una sola capa en los dispositivos de guía de ondas de Si estudiados aquí como resultado del modo de dispersión 2D simétrico intenso y la frecuencia pico G, ω _G ~ 1587 cm ⁻¹

Imagen óptica de falso color del mismo Si MRR recubierto de grafeno ( r =Dispositivo de 10 μm) (barra de escala =10 μm) que muestra las diferentes regiones mapeadas (cuadrados punteados blancos) para a G y b Picos 2D, respectivamente. El grafeno se revela por el contraste ligeramente más oscuro (con la esquina inferior izquierda indicada por las flechas). c y d mostrar la posición del pico correspondiente y e y f los mapas de nivel de Fermi, determinados a partir de las Ecs. (1) y (2), respectivamente

Los picos de Raman G y 2D desplazados se pueden asociar con tensión o dopaje o una combinación de estos en la capa de grafeno. Sin embargo, en el límite de deformación baja (donde no hay división del pico G), el cambio relacionado con la deformación del pico 2D (∂ ω _{2 D} / ∂ ε ) es aproximadamente seis veces mayor que el pico G (∂ ω _G / ∂ ε ) [5]. El hecho de que observemos cambios ampliamente equivalentes de los picos G y 2D donde el grafeno se encuentra en la guía de ondas aquí indica que es poco probable que la causa dominante del cambio sea la tensión. Por otro lado, la tasa relativa y la dirección de los cambios de pico G y 2D con el dopaje son muy específicas del tipo de portador [25]. Para ambos electrones ( n ) y agujero ( p ) dopaje, la frecuencia del pico G siempre aumenta desde el valor intrínseco, lo que significa que una gráfica de la posición del pico G con el nivel de Fermi es casi simétrica alrededor de cero. Sin embargo, para el pico 2D, mientras que la frecuencia aumenta considerablemente para un aumento moderado en p -nivel de dopaje (~ 15 cm ⁻¹ por 3 × 10 ¹³ cm ⁻² ), permanece prácticamente sin cambios desde su posición intrínseca hasta una concentración de electrones de ~ 3 × 10 ¹³ cm ⁻² , por encima del cual se desplaza rápidamente hacia abajo. Esto conduce a una curva altamente asimétrica para la posición del pico 2D con el nivel de Fermi alrededor de cero. El hecho de que observemos cambios que son similares en magnitud y en la misma dirección para los picos G y 2D sugiere fuertemente que el grafeno es moderadamente p dopado, donde se asienta en la guía de ondas, en comparación con donde está suspendido. Para cuantificar este efecto, usamos las siguientes relaciones empíricas (ecuaciones (1) y (2)) para determinar el cambio de nivel de Fermi aproximado de los cambios de pico Raman G y 2D, después de [25]:

donde ω ₀ ( G ) (=1580 cm ⁻¹ [26]) y ω ₀ (2 D ) (=2640 cm ⁻¹ [9]) son las posiciones de los picos G y 2D, respectivamente, para el grafeno intrínseco no tensado (para excitación de 633 nm), ω ( G ) y ω (2 D ) son las posiciones de los picos G y 2D que hemos determinado para cada punto en nuestros mapas y E _F es el nivel de Fermi en unidades de eV. En la Fig. 2e, f, mostramos el resultado de estos cálculos como mapas de nivel de Fermi, derivados de los datos de la Fig. 2c, d. Estos son ampliamente equivalentes (como se esperaba), lo que indica que el grafeno suspendido es intrínseco ( E _F ~ 0) pero que se incrementa la concentración del pozo (dando un valor mínimo para E _F de aproximadamente - 0,2 eV) donde el grafeno se asienta sobre la estructura de la guía de ondas. Un análisis similar de un MRR con radio r =20 μm (no se muestra aquí) dio un resultado muy similar, lo que indica que el efecto no depende de la geometría de la guía de ondas, sino que es puramente un efecto de dopaje dependiente del material (sustrato). La fuente de este dopaje es casi con certeza el resultado de cargas publicitarias estáticas atrapadas localmente en la interfaz entre el silicio / SiO ₂ y grafeno. Se sabe que la densidad de estas cargas publicitarias aumenta en muestras que han recibido tratamientos de limpieza más agresivos (como el O ₂ grabado con plasma que hemos empleado) [27]. Aunque este proceso proporciona una interfaz completamente limpia (relativamente libre de contaminantes), este daño puede conducir a defectos de capa abierta ricos en oxígeno (tipo de unión colgante) que se sabe que son trampas portadoras de carga efectivas.

Los espectros de dispersión Raman representativos (del mapeo) se muestran en la Fig. 3, revelando el cambio hacia arriba en la frecuencia máxima de G y 2D donde el grafeno se asienta sobre la estructura de la guía de ondas MRR de silicio subyacente.

Grafeno representativo G (izquierda) y 2D (derecha) promediado ( n =3) Picos de dispersión Raman (excitación de 633 nm) APAGADO (arriba) y ENCENDIDO (abajo) la estructura de guía de ondas MRR de silicio subyacente. Las líneas representan ajustes Lorentzianos dobles (pico G) o simples (pico 2D) a los datos. La asimetría en el pico G como resultado de la disminución de la degeneración del plano E _2g fonón óptico conduce a distintos modos de dispersión, etiquetados G ⁺ y G ^- (de acuerdo con la convención utilizada para los nanotubos de carbono)

El pico 2D está bien descrito ( R ² =0,993) por una sola línea-forma de Lorentzian simétrica, una firma de grafeno de una sola capa [8]. Observamos que el ajuste al pico 2D solo mejoró marginalmente usando una función de Voigt, lo que sugiere solo una pequeña contribución a la ampliación del instrumento. No se observó ningún cambio medible (más allá del error estándar) en el FWHM del modo de dispersión 2D entre los datos del anillo ON y OFF, lo que indica una insensibilidad de esto a la concentración de portadores, en consonancia con las observaciones anteriores [28].

El pico G, por otro lado, es bastante asimétrico para las condiciones de anillo OFF y ON y, como resultado, no está bien descrito por una sola función simétrica. Más bien, encontramos que se describe mejor ( R ² > 0,995) por una línea-forma de Lorentzian doble, indicativo de dos procesos de dispersión distintos. Observamos que el ancho de la principal (G ⁺ ) el pico disminuye en ~ 25% (\ ({\ Gamma} _ {\ mathrm {OFF}} ^ {+} \) ~ 10 cm ⁻¹ , \ ({\ Gamma} _ {\ mathrm {ON}} ^ {+} \) ~ 7.5 cm ⁻¹ ) yendo desde el grafeno suspendido hasta donde está soportado por la estructura de la guía de ondas MRR. Esto es consistente con la comprensión actual y las observaciones anteriores del "endurecimiento" del grafeno E _2g fonón óptico, como resultado del dopaje [8]. El segundo modo de dispersión subyacente (G ^- ), responsable de la asimetría, también exhibe una disminución significativa en el ancho de ~ 35% (\ ({\ Gamma} _ {\ mathrm {OFF}} ^ {-} \) ~ 20 cm ⁻¹ , \ ({\ Gamma} _ {\ mathrm {ON}} ^ {-} \) ~ 13 cm ⁻¹ ) yendo desde el grafeno suspendido hasta donde está soportado por la estructura de la guía de ondas MRR. La asimetría en el pico Raman G del grafeno se ha atribuido previamente a una falta de homogeneidad de carga altamente localizada dentro del área de la sonda láser [28], es decir, en la escala submicrónica, y también se ha observado al comparar los espectros Raman del grafeno suspendido con el soportado. por un sustrato [22]. Estudios recientes de grafeno soportado por superficies nanoestructuradas [29] también han revelado una estructura fina de múltiples picos en la banda G, que se interpretó como el resultado de una curvatura extrema o 'arrugas', similar a lo que se observa en paredes simples. nanotubos de carbono (SWCNT). En este caso, el doblemente degenerado en el plano E _2g El modo óptico se puede dividir entre fonones a lo largo del eje de nanotubos, \ ({\ omega} _G ^ {+} \), y aquellos que son perpendiculares a él, \ ({\ omega} _G ^ {-} \), con el grado de división, \ (\ Delta {\ omega} _G ={\ omega} _G ^ {+} - {\ omega} _G ^ {-} \), siendo una función importante del tamaño del nanotubo (es decir, grado de curvatura) , incluso en ausencia de cualquier cepa aplicada externamente [30]. La división del pico G también se ha observado en el grafeno bajo tensión uniaxial [5] y en SWCNT aislados bajo presión hidrostática [31] donde la frecuencia más baja sensible a la curvatura (G ^- ) el modo de dispersión en sí se puede ampliar e incluso dividir cuando los nanotubos se comban y colapsan bajo una carga de alta presión. Observamos al ajustar los espectros de la banda de grafeno G aquí que tanto la diferencia de frecuencia Δ ω _G y el ancho de línea de G ^- mode (\ ({\ Gamma} _ {\ mathrm {OFF}} ^ {-} \)) son mayores para la condición de anillo desactivado suspendido que para el caso de anillo activado. En ausencia de cualquier evidencia (de las posiciones de los picos) de una tensión neta global, especulamos que esto puede ser el resultado de una arruga fuera del plano localizada en la región suspendida, que se 'suaviza' donde está el grafeno. apoyado por la estructura de guía de ondas MRR submicrónica subyacente bien definida, que explicaría el Δ ω más pequeño _G y G más estrecho ^- picos que observamos aquí.

También examinamos la relación de intensidades pico, I _2D / Yo _G , que se sabe que depende de la concentración del portador, siendo máxima para el caso intrínseco y disminuyendo continuamente con el aumento (tanto n y p ) nivel de dopaje, principalmente debido a la extinción del modo 2D con un aumento de la dispersión de portador-fonón [22, 32]. Sin embargo, aunque sí observamos una caída en I _2D / Yo _G , de ~ 3 donde se suspendió el grafeno a ~ 2.5 en la estructura de la guía de ondas, observamos que este cambio es pequeño en relación con el grado de desplazamiento del pico G que observamos, en comparación con otros informes [28] para la misma longitud de onda del láser de excitación ( 633 nm). Sin embargo, vale la pena señalar que en [28], hay un alto grado de dispersión en los datos para I _2D / Yo _G como una función de la posición del pico G, que parece aumentar con la longitud de onda de excitación, lo que sugiere que esto por sí solo puede no ser el indicador más confiable del nivel de dopaje absoluto, especialmente en el límite de dopaje bajo.

Análisis de la relación de intensidades de pico integradas totales, A _G / A _2D , que tiene en cuenta los anchos de los picos, así como las variaciones en las alturas de los picos, se puede utilizar para obtener la concentración de portador directamente a partir de la Ec. (3) [22, 32]:

donde C es una constante; e es la carga electrónica; γ _e-ph es la tasa de dispersión promedio de electrones-fonones, previamente determinada en [32] en ~ 33 meV; y ε (~ 3.9) es la constante dieléctrica de SiO ₂ [33], que se supone que está presente en la interfaz (como una capa de óxido nativo) entre el silicio y el grafeno. Esto produce f (e ² / εν _f ) ~ 0.069 cuando ν _f se toma como la velocidad del electrón, 1,17 × 10 ⁸ cm / s. Nuestras mediciones indican que \ (\ surd \ frac {A_G} {A_ {2D}} \) es más alto donde el grafeno se asienta sobre la estructura de la guía de ondas de silicio subyacente en comparación con la región central suspendida, lo que nuevamente respalda la hipótesis de que los cambios espectrales Raman observados son el resultado de un efecto de dopaje del sustrato. La Figura 4 revela el nivel de Fermi que hemos determinado a partir de la relación de intensidades integradas de los modos de grafeno G y 2D y Eq. (3) en función de la posición a lo largo de los escaneos de líneas espaciales realizados en el medio de la sección larga de los dispositivos MRR integrados con grafeno (para radios de 10 y 20 μm). El cambio de nivel de Fermi pico coincide con el lugar donde se asienta el grafeno en la estructura de la guía de ondas de silicio subyacente y es de ~ 0,2 eV, de acuerdo con lo que hemos determinado a partir de los cambios de pico y lo que se determinó previamente para un transistor de efecto de campo de grafeno back-gated [17] . Vale la pena señalar que, a pesar de las diferentes geometrías del dispositivo que hemos estudiado, lo que conduce a una región más grande de grafeno suspendido sobre la estructura MRR de 20 μm de radio en comparación con la estructura de radio de 10 μm (~ 54 μm de grafeno suspendido en comparación con ~ 36 μm, respectivamente), el patrón de dopaje espacial local es virtualmente idéntico, como lo revelan los ajustes gaussianos en la Fig. 4.

Nivel de grafeno Fermi determinado (de \ (\ surd \ frac {A_G} {A_ {2D}} \)) como una función de coordenadas espaciales a lo largo de escaneos lineales para (arriba) 10 μm y (abajo) 20 μm de radio Dispositivos MRR (observe la ruptura en la parte inferior x -eje). Las áreas y anchos integrados de picos ajustados (gaussianos) se muestran para compararlos junto con el lugar donde se tomaron los datos de escaneo de línea en los dispositivos

Convirtiendo el nivel de Fermi que hemos determinado en una concentración de portador, n a través de Eq. (4) [33] produce un valor máximo para n ~ 3 × 10 ¹² cm ⁻² sobre la estructura del MRR, que en general coincide con los informes anteriores [26]:

Finalmente, examinamos la correlación entre las posiciones de los picos G y 2D a partir de nuestros datos medidos (de tres escaneos lineales) en un llamado gráfico de descomposición vectorial, introducido por Lee et al. [34], figura 5.

Gráfico de correlación G-2D que muestra datos para tres mediciones de escaneo de líneas en el MRR integrado con grafeno. Las cruces rojas son puntos tomados donde el grafeno se encuentra EN la estructura MRR con el punto púrpura que representa el promedio de estos valores de coordenadas y las cruces azules donde el grafeno está suspendido a través de la MRR (fuera de la estructura subyacente). El punto rojo es el valor coordenado intrínseco no tensado del grafeno con excitación láser de 633 nm, que define el origen. La línea punteada denota la tensión libre ( p -doping) vector con ∆ω _2D / ∆ω _G ~ 0,7, y la línea continua indica el vector libre de dopaje (deformación) con ∆ω _2D / ∆ω _G ~ 2.2, después de [34]

La representación de los datos en este tipo de gráfico nos permite determinar hasta qué punto los cambios de picos pueden verse influenciados por la deformación. Esto se basa en el hecho de que las tasas de variación en las relaciones de posición de pico para la deformación (∆ ω _{2 D} / ∆ ω _G ~ 2.2) son muy diferentes para los asociados con el dopaje (∆ ω _{2 D} / ∆ ω _G ~ 0,7) [34]. Por lo tanto, cualquier punto de coordenadas en el espacio G-2D puede descomponerse en deformación y, específicamente, p -vectores de dopaje de tipo. Con tensión de tracción creciente op -dopaje, el ω _G , ω _{2 D} los valores de las coordenadas se moverán desde el origen (posición intrínseca, sin tensión), ya sea a lo largo de la línea libre de dopaje (tensión) o libre de tensión ( p -dopaje) líneas, respectivamente. El espacio de coordenadas G-2D se divide en cuatro cuadrantes, Q1-Q4 por estos vectores de deformación y dopaje, por lo que cualquier desviación significativa de los datos de coordenadas de estas líneas, digamos en la región Q1 (Q4), indicaría que los cambios máximos son el resultado de una combinación de deformación por compresión (tracción) yp -dopaje. La dispersión de datos dentro del segundo y tercer trimestre está prohibida porque tanto n- y p -El dopaje se manifiesta solo en aumentos en la posición del pico G.

Definimos la coordenada de frecuencia de pico de grafeno intrínseco, sin tensión como el origen (punto rojo) [9, 26] e indicamos la coordenada libre de tensión ( p -dopaje) (línea discontinua) y vector libre de dopaje (cepa) (línea continua), después de [31]. Los datos de tres escaneos de línea diferentes se encuentran dispersos alrededor del origen del anillo OFF y a lo largo de la línea libre de deformaciones ( p -doping) para el anillo ON con el valor medio de la coordenada del anillo ON (punto morado) (1584,9, 2642,4). La mayor dispersión de los datos del anillo ON a lo largo de la línea libre de deformaciones indica un mayor rango de niveles de dopaje detectados a partir de los cambios de pico relativos, probablemente debido a la incertidumbre al sondear un efecto de dopaje de sustrato altamente localizado producido por el submicrón subyacente. ancho de la guía de ondas, en comparación con el tamaño del punto del láser de la sonda (> 1 μm). A pesar de la aparente dispersión en los datos, tanto en el cuarto trimestre como en el primer trimestre, descartamos cualquier efecto de deformación global significativo porque la coordenada promedio del anillo ON se encuentra muy cerca de la línea libre de deformaciones. Sugerimos que los cambios de pico que observamos se deben solo al dopado de orificios inducido por el sustrato de silicio y la coordenada G-2D del anillo ON promedio confirma que esto está en el rango de (2 a 3) × 10 ¹² cm ⁻² .