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Modulador de terahercios totalmente óptico de alto rendimiento basado en heterouniones de tres capas de grafeno / TiO2 / Si

Resumen

En este artículo, demostramos un modulador híbrido de tres capas de terahercios (THz) elaborado mediante la combinación de un sustrato de silicio de tipo p (p-Si), TiO 2 capa intermedia y grafeno de una sola capa. La interfaz entre Si y TiO 2 introdujo un campo eléctrico incorporado, que condujo los fotoelectrones de Si a TiO 2 , y luego los electrones inyectados en la capa de grafeno, provocando que el nivel de grafeno de Fermi cambie a una banda de conducción más alta. La conductividad del grafeno aumentaría, dando como resultado la disminución de la onda de terahercios transmitida. Y se realizó la modulación de transmisión de terahercios. Observamos una modulación de banda ancha de la transmisión de terahercios en el rango de frecuencia de 0,3 a 1,7 THz y una gran profundidad de modulación del 88% con la excitación óptica adecuada. Los resultados muestran que el grafeno / TiO 2 Las nanoestructuras híbridas / p-Si exhiben un gran potencial para aplicaciones de banda ancha de terahercios, como imágenes y comunicaciones de terahercios.

Introducción

La tecnología de imágenes de terahercios (THz) [1] y la tecnología de comunicación de terahercios [2, 3] son ​​dos importantes direcciones de investigación en el campo de los THz. Y los moduladores de THz son los componentes básicos de las tecnologías, que pueden modular la transmisión y la reflectividad de las ondas de THz modulando señales (luz, electricidad, calor, etc.) [4]. Se han realizado muchas investigaciones sobre los moduladores de THz [5, 6], centrándose principalmente en los materiales. Se han utilizado materiales semiconductores, como Si y Ge, para moduladores de THz. Pero el rendimiento de modulación no es ideal y la profundidad de modulación no es alta, por lo que se han propuesto muchos materiales nuevos [7,8,9]. Un nuevo material representativo es el metamaterial. Los moduladores de THz de alta velocidad se pueden realizar combinando metamaterial con semiconductores. Sin embargo, el ancho de banda de los moduladores basados ​​en metamaterial es todavía muy estrecho debido a la estructura fija y el proceso de fabricación es complicado [10, 11]. Otro material típico es un material de cambio de fase, como VO 2 . A cierta temperatura o voltaje, el VO 2 puede sufrir un cambio de fase reversible entre los estados aislante y metálico, y las propiedades electromagnéticas cambian en consecuencia. El estado metálico puede provocar una atenuación de la onda THz. Pero la onda de THz puede penetrar fácilmente el estado aislante de VO 2 . Por lo tanto, la transmisión de THz se puede modular aplicando excitación externa para hacer el cambio de fase de VO 2 . Pero tales moduladores [12,13,14,15] se basan en el cambio de temperatura y tienen una caída de temperatura más lenta, por lo que la velocidad de modulación es lenta.

En los últimos años, el grafeno se ha aplicado gradualmente a la tecnología THz debido a sus excelentes propiedades electrónicas, ópticas y mecánicas [16,17,18,19]. Lee y col. fabricó un modulador de THz controlado eléctricamente integrando grafeno con metamateriales [20]. Cuando las propiedades eléctricas y ópticas del grafeno se mejoraron por la fuerte resonancia de los átomos de metal, la interacción luz-materia se mejora, al darse cuenta de la modulación de amplitud de la onda de transmisión de terahercios en un 47% y la modulación de fase en un 32,2%. En 2012, Sensale et al. preparó un modulador de onda THz de transistor de efecto de campo basado en grafeno (GFET), mientras que el voltaje de la puerta sintonizaba la concentración de portadora en el grafeno [21]. Sin embargo, la profundidad de modulación de este tipo de modulador [22,23,24] fue poco profunda debido a la inyección de portadora limitada. El modulador grafeno / n-Si THz preparado por Weis et al. tiene una profundidad de modulación de hasta el 99% bajo la excitación de un láser de pulso de femtosegundos de 808 nm [25]. Posteriormente, el modulador grafeno / n-Si THz fabricado por Li et al. logró una profundidad de modulación del 83% con excitaciones eléctricas y ópticas simultáneas. Sin embargo, cuando no se aplicó ningún campo eléctrico, solo se agregó la luz y el efecto de modulación no fue muy bueno [26]. Como material semiconductor de bajo costo, no tóxico y químicamente estable, el dióxido de titanio (TiO 2 ) ha atraído una gran atención en el campo de la energía y el medio ambiente. No solo se usa para la degradación fotocatalítica de contaminantes ambientales, sino que también se usa ampliamente en células solares. Recientemente, Tao et al. preparado MoS 2 película en TiO 2 superficie [27]. La interfaz introdujo un fuerte campo eléctrico incorporado, que mejoró la separación de pares de agujeros de electrones, lo que llevó a la mejora de sus propiedades fotocatalíticas. En 2017, Cao et al. hizo una perovskita / TiO 2 de alto rendimiento / Fotodetectores de Si [28]. Atribuyeron la mejora en el rendimiento a una mayor separación y una menor recombinación de los portadores fotoexcitados en la interfaz entre el Si y la perovskita mediante la inserción de TiO 2 película. Aquí, un grafeno / TiO 2 Se fabricó un modulador de THz totalmente óptico nanoestructurado / p-Si. El dispositivo que diseñamos tiene una gran profundidad de modulación de un máximo del 88% en el rango de frecuencia de 0,3 a 1,7 THz.

Métodos

El Si de 500 μm de espesor (tipo p, resistividad ρ ~ 1-10 Ω cm) los sustratos se lavaron secuencialmente con acetona, etanol y agua desionizada durante 20 min en un baño ultrasónico y luego se sumergieron en una solución de HF 4,6 M durante 10 min para eliminar la capa de óxido nativo de la superficie. A continuación, el Si limpio se sumergió en TiCl 4 0,1 M solución acuosa a 343 K durante 1 h para obtener TiO 2 de 10 nm de espesor película. El grafeno monocapa se cultivó sobre cobre mediante deposición química de vapor [29]. Y luego, el grafeno se transfirió a TiO 2 película utilizando un método de grabado en húmedo [30] para formar grafeno / TiO 2 / p-Si heteroestructura. El área total de la muestra es de 1 cm 2 . La calidad del grafeno se caracterizó por espectroscopía Raman. Los espectros de absorción se midieron mediante un espectrofotómetro UV-visible (Shimadzu, UV-3600). Se realizaron mediciones de espectroscopía de fotoemisión ultravioleta (UPS) (Thermo Scientific, Escalab 250Xi) para obtener la estructura de la banda de energía. La modulación estática fue evaluada por el sistema de dominio de tiempo Fico THz (Zomega Terahertz Corporation).

Resultados y discusión

La estructura de un grafeno / TiO 2 totalmente óptico El modulador / p-Si THz se representa esquemáticamente en la Fig. 1a. La onda THz y el láser incidieron simultáneamente desde el lado del grafeno. El láser semiconductor a una longitud de onda de 808 nm, un diámetro de punto de ~ 5 mm y una potencia de 0 a 1400 mW se aplicó como señal moduladora. El rayo de THz (~ 3 mm) podría superponerse con el rayo láser. Y las ondas THz transmitidas se midieron mediante un sistema THz-TDS a diferentes potencias de láser. Debido a que el rendimiento de los moduladores de grafeno es relevante para la calidad del grafeno, evaluamos la calidad del grafeno transferido en Si y TiO 2 / p-Si sustratos por espectroscopía Raman con un láser de longitud de onda de 514 nm, como se muestra en la Fig. 1b. Es obvio que el pico G y el pico 2D del grafeno en p-Si están a ~ 1580 cm −1 y 2681 cm −1 , respectivamente. Para el grafeno en TiO 2 / p-Si, el pico G se coloca en ~ 1575 cm −1 y el pico 2D se coloca en ~ 2667 cm −1 . En comparación con el espectro Raman del grafeno sobre silicio, los picos G y 2D del grafeno en TiO 2 / p-Si se desplaza hacia la izquierda debido al estrés en el grafeno causado por la inserción de TiO 2 . Además, los picos D son débiles tanto para el grafeno en Si como para TiO 2 /psi. Los picos 2D se ajustan a un solo Lorentziano y son más del doble de la altura de los picos G para ambos. Los resultados de Raman indican que el grafeno transferido en Si y TiO 2 / p-Si es grafeno monocapa de alta calidad [31].

Diseño experimental y espectros Raman de grafeno. un Esquema del modulador THz totalmente óptico. El modulador está compuesto por grafeno de una sola capa sobre un sustrato de p-Si con TiO 2 película. b Espectros Raman del grafeno en Si y TiO 2 / Sustratos de p-Si

La Figura 2a-c muestra la transmitancia de ondas THz de Si, grafeno / Si y grafeno / TiO 2 / Si a diferente potencia de láser, respectivamente, que se mide mediante el sistema de dominio de tiempo Fico THz. Sin fotoexcitación, Si, grafeno / Si y grafeno / TiO 2 / p-Si muestra una transmisión moderada de ~ 55% de la onda THz debido a la absorción parcial y la reflexión de los portadores ya que el Si está dopado con p. Y las transmitancias sin fotoexcitación no tienen diferencia notable para todas ellas, indicando el TiO 2 y el grafeno no atenúan la onda THz cuando no hay fotoexcitación. Por lo tanto, el TiO 2 no causa ninguna pérdida de inserción adicional y grafeno. Cuando la potencia del láser de 808 nm aumenta de 0 a 1400 mW, la transmisión disminuye en el rango de 0.3 THz a 1.7 THz para Si, grafeno / p-Si y grafeno / TiO 2 /psi. Cuando se irradia con láser con una energía mayor que la banda prohibida del Si, los electrones se excitarán desde la banda de valencia hasta la banda de conducción. Los pares de electrones y huecos excitados se formarán en la superficie, lo que provocará un aumento de la conductividad. Y la absorbancia y la reflectividad de THz de los semiconductores dependen del cambio de conductividad. Por lo tanto, cuando la onda THz penetra a través del Si irradiado por el láser, la intensidad de la onda THz transmitida disminuirá. Además, el número de pares de electrones y huecos producidos por Si bajo una irradiación láser de 808 nm aumentaría a medida que aumenta la potencia del láser. Y el aumento de la conductividad del Si daría como resultado la atenuación de la onda THz transmitida. En la Fig. 2b, la transmisión de grafeno / Si disminuye significativamente con el aumento de la potencia del láser que la del silicio. Cuando el láser se irradia sobre el grafeno / Si, la absorción óptica en el Si es mucho mayor que en el grafeno, por lo que el número de portadores generados en el Si es mucho mayor que en el grafeno. Los portadores libres se difundirán del silicio al grafeno bajo la acción del gradiente de concentración. El grafeno tiene una mayor movilidad de portador y, por lo tanto, sufre un cambio de conductividad mayor que el Si. Si bien la absorbancia y la reflectividad de THz dependen del cambio de conductividad, el rendimiento de modulación del grafeno / p-Si se mejora en comparación con el Si. Como se muestra en la Fig. 2c, la disminución de la transmisión de grafeno / TiO 2 / p-Si es abrupto a la potencia del láser de 200 mW y 400 mW. Cuando la potencia del láser continúa aumentando, la disminución de la transmisión se vuelve más leve. Mientras que la potencia del láser aplicada es de 1400 mW, la transmitancia de THz cae a alrededor del 10% en el rango de 0.3 THz a 1.7 THz. Las profundidades de modulación se pueden calcular con ( T sin excitación - T excitación ) / T sin excitación , donde T sin excitación y T excitación representan la intensidad de la transmisión de THz sin y con fotoexcitación, respectivamente. Para revelar de manera más intuitiva su rendimiento de modulación estática, representamos las profundidades de modulación como funciones de la potencia del láser para Si, grafeno / Si y grafeno / TiO 2 / p-Si, como se muestra en la Fig. 2d. La profundidad de modulación del grafeno / Si es mayor que la del Si, mientras que la profundidad de modulación del grafeno / TiO 2 / p-Si es más alto que el grafeno / p-Si. La profundidad de modulación de todos ellos aumenta al aumentar la potencia del láser. Cuando se irradia con 200 mW, la profundidad de modulación del grafeno / TiO 2 / p-Si es ~ 33%, aproximadamente 6 veces más alto que Si, 2,5 veces más alto que el grafeno / Si y más alto que los moduladores de THz basados ​​en transistores de efecto de campo de grafeno [21]. La profundidad de modulación del grafeno / TiO 2 / p-Si puede alcanzar el 88% al bombear con un láser de 808 nm con una potencia de 1400 mW, más alta que el modulador basado en grafeno con excitaciones eléctricas y ópticas simultáneas [26]. Por lo tanto, a partir de la prueba estática, podemos llegar a la conclusión de que el modulador tiene un alto rendimiento con banda ancha y una gran profundidad de modulación.

La prueba de modulación. Los espectros de transmitancia de a Si, b grafeno / p-Si y c grafeno / TiO 2 / p-Si a diferente potencia de láser. d La profundidad de modulación en función de la potencia del láser para Si, grafeno / Si y grafeno / TiO 2 Moduladores / p-Si

Para obtener el diagrama de bandas de energía de grafeno / TiO 2 / Si modulador, hicimos el espectrofotómetro UV-visible y las medidas del UPS, como se muestra en la Fig. 3. De acuerdo con la Fig. 3a, podemos calcular que la banda prohibida de Si y TiO 2 es 1,19 y 2,98 eV, respectivamente. La Figura 3b muestra las medidas del UPS en Si, TiO 2 , grafeno y Au. Para confirmar la posición del nivel de Fermi del medidor, realizamos las mediciones del UPS en Au [32]. Y la Fig. 3 cyd son las partes ampliadas de la Fig. 3b. De la Fig. 3c, el inicio del electrón secundario de los espectros es 16,33, 16,97, 16,43 y 17,11 eV para Si, TiO 2 , grafeno y Au, respectivamente. Por lo tanto, la posición del nivel de Fermi del medidor es 0.98 eV y la función de trabajo de Si, TiO 2, y el grafeno se calcula en 5,85, 5,21 y 5,75 eV, respectivamente. De acuerdo con la Fig.3 (d), el valor de la banda de valencia máxima de Si y TiO 2 se ubica en 1,48 y 2,86 eV. El nivel de la banda de valencia de Si y TiO 2 se calcula en - 6,35 y - 7,09 eV. Combinando con la banda prohibida de Si y TiO 2 , podemos obtener el nivel de banda de conducción de Si y TiO 2 , que es - 5.16 y - 4.11 eV.

Espectros de absorción y espectros UPS. un Los espectros de absorción de Si y TiO 2 /Si. b Espectros de UPS de Si, TiO 2 , grafeno y Au. c Partes ampliadas de b mostrando el inicio del electrón secundario. d Partes ampliadas de b mostrando el máximo de la banda de valencia

Según los resultados anteriores, el diagrama de bandas de energía del grafeno / TiO 2 La heterounión / Si se ilustra en la Fig. 4. E c , E v y E F denotan la energía de la banda de conducción, la energía de la banda de valencia y la energía del nivel de Fermi, respectivamente. TiO 2 está en contacto directo con p-Si y los electrones en TiO 2 se recombinan con huecos en p-Si, lo que da como resultado una capa de agotamiento en la interfaz. Dado que el TiO 2 es de tipo n "más débil", el ancho de agotamiento en TiO 2 es más grande que en Si. Considerando el TiO 2 la película es muy delgada (~ 10 nm), un estado completamente agotado aparecería en el TiO 2 capa. Cuando el grafeno se transfirió a TiO 2 / Si, no hubo exceso de electrones en el TiO 2 para migrar al grafeno. Por lo tanto, no habría una capa de acumulación de portadores en estado oscuro, y THz presentaría una alta transmisión, lo que es consistente con los resultados de la Fig. 2b. Cuando el grafeno / TiO 2 La heterounión / p-Si fue fotoexcitada por el láser de 808 nm, la cantidad de pares de electrones y huecos generados en el Si era mucho mayor que en el grafeno y el TiO 2 . Tras la fotoexcitación, el nivel de Fermi del Si se elevó en el TiO 2 / p-Si interfaz. Además, los electrones se movieron hacia TiO 2 y los agujeros hacia Si debido al efecto del campo eléctrico incorporado. La existencia de TiO 2 mejoró la separación de los portadores fotoexcitados en Si, formando una capa conductora de tipo n en el fino TiO 2 capa, lo que dificulta la transmisión de la onda THz. Como el TiO 2 capa es relativamente delgada, el efecto sobre la transmisión de THz es ligeramente menor. Después de transferir grafeno en TiO 2 / p-Si, una gran cantidad de electrones en TiO 2 se inyectaría en grafeno, lo que desplazó el nivel de Fermi a una banda de conducción superior. Mientras tanto, la conductividad del grafeno aumentó, lo que provocó una mayor atenuación de la onda THz. Por lo tanto, se logró una alta profundidad de modulación.

Esquema de bandas del grafeno / TiO 2 / Si heterounión

Conclusiones

En resumen, hemos fabricado con éxito un grafeno / TiO 2 totalmente óptico de alto rendimiento / p-Si modulador de terahercios. El modulador exhibe una banda ancha que varía de 0.3 a 1.7 THz, con un 88% de profundidad de modulación. La inserción de TiO 2 La película introdujo una unión PN con p-Si, y el campo eléctrico incorporado mejoró la separación de los portadores fotoexcitados en Si. Los fotoelectrones migraron de Si a TiO 2 , y luego se inyecta en la capa de grafeno, lo que hace que el nivel de grafeno de Fermi cambie a una banda de conducción más alta. Por lo tanto, la modulación de la transmisión de THz podría realizarse debido al aumento de conductividad en el grafeno. El dispositivo también es muy fácil de fabricar y de bajo costo. No es necesario depositar electrodos y el TiO 2 La película se puede preparar mediante un método de solución química. Es más, el láser que usamos es un láser semiconductor, no necesariamente el costoso láser de pulso de femtosegundos como señal de modulación.

Abreviaturas

p-Si:

Silicio tipo P

THz:

Terahercios

UPS:

Espectroscopia de fotoemisión ultravioleta


Nanomateriales

  • Metal
  • Resina
  • fibra
  • Material compuesto
  • Nanomateriales
  • Materiales poliméricos
  • Biologicos
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