Крупномасштабные однородные графеновые наносетки для высокоскоростного детектирования терагерц при комнатной температуре

Аннотация

В последние годы графеновые наносетки (ГНС) — материал с высокой гибкостью и настраиваемыми электронными свойствами — привлекли значительное внимание исследователей благодаря широким применениям в нанонауке и нанотехнологиях. Здесь мы сообщаем о fabricación крупномасштабных однородных массивов прямоугольных (р-ГНС) и круговых (с-ГНС) графеновых наносеток с разной шириной «шейки» методом электронно-лучевой литографии (ЭЛЛ). Электронные свойства этих высококачественных образцов ГНС систематически характеризированы. Электрические измерения показали, что затворно-управляемые полевые транзисторы с разной шириной шейки ГНС обладают разными отношениями I_on/I_off. В частности, приборы на основе р-ГНС с шириной шейки 30 нм демонстрируют наибольшее отношение I_on/I_off ~ 100, а ширина запрещенной зоны р-ГНС оценена в 0,23 эВ — насколько известно авторам, это максимальное значение для графеновых наноленточек или ГНС с шириной шейки ниже 30 нм. Кроме того, терагерцевая отзывчивость крупномасштабных р-ГНС приборов на основе фотопроводящего эффекта оценивается в 10 мА/Вт при комнатной температуре. Также исследовано практическое применение терагерцевой визуализации: приборы пригодны для реалистичных условий с временем отклика < 20 мс, что обеспечивает точную и быструю визуализацию макроскопических образцов.

Введение

Графен — однослойная sp²-гибридизированная углеродная пленка — привлекло огромное внимание благодаря уникальным оптоэлектронным свойствам: высокой подвижности носителей, нулевой запрещенной зоне и частотно-независимому поглощению. Эти свойства открывают перспективы в наноэлектронике, нанокомпозитах, химических и биологических сенсорах, фото детекторах. Однако нулевая энергетическая щель ограничивает применение в электронных и фотонных приборах. Поэтому крайне желательно открыть энергетическую щель и повысить отношение I_on/I_off. Признано, что ширина запрещенной зоны можно настраивать разными методами: электрическим/магнитным полем в билиейерном графене, химическим легированием, деформацией, изменением наноструктуры. Последний способ — наиболее удобный, так как минимизирует воздействие на собственные электронные свойства. Наноструктурирование дает графеновые наноленточки (ГНЛ), нанокольца, наносетки (ГНС). Sun et al. сузили графен в ГНЛ, достигнув I_on/I_off ~ 47 и ~ 105 при комнатной температуре и 5,4 К. Однако фабрикация длинных узких ГНЛ затруднена. ГНС — более простая наноструктура, открывающая щель в крупных графеновых листах, а ГНС-транзисторы выдают токи почти в 100 раз выше отдельных ГНЛ. Yang et al. использовали мезопористый SiO₂-шаблон для ГНС-ТФТ с улучшенным on/off, создав высокочувствительные биосенсоры. ГНС готовят наноимпринт-литографией, шаблонно-ассистированной литографией, самоорганизацией. Haghiri et al. изготовили крупноплощадные ГНС наноимпринтом для беспримечной ДНК-детекции, но ширина шейки ~ 260 нм была слишком велика для открытия щели. Zang et al. применили анодный оксид алюминия как маску с O₂-плазменным травлением. Большинство методов требуют предварительного наношаблона или наночастиц как защитной маски, что усложняет синтез и затрудняет контроль ширины шейки для крупномасштабных однородных массивов.

Здесь мы успешно составили крупномасштабные однородные массивы р-ГНС и с-ГНС с разной шириной шейки ЭЛЛ. Также изготовили ГНС-терагерцевые детекторы на базе фотопроводящего эффекта. Электрические измерения при комнатной температуре изучили влияние ширины шейки на характеристики детекторов: приборы с разной шириной шейки имеют разные I_on/I_off и ширину щели. Замечено, что ток с-ГНС выше, чем р-ГНС, но I_on/I_off меньше — вероятно, из-за большей краевой шероховатости р-ГНС. Далее измеряли терагерцевые фототоки р-ГНС разного размера, демонстрируя фотопроводящий эффект. Наконец, продемонстрировали терагерцевую визуализацию на р-ГНС приборах с бифокальной системой.

Экспериментальная часть

Фабрикация детекторов

Крупноплощадный однослойный графен выросли ХФОС на медном субстрате, перенесли на сильно легированный p-Si с 285-нм SiO₂ PMMA-помощью мокрого переноса. Источниково-стоковые электроды (50 нм Au) осадили электронно-лучевым испарением с лифт-офф. Расстояние между электродами 14 мкм. Вторым шагом ЭЛЛ формировали р-ГНС и с-ГНС. После переноса графена на субстрат позитивный ЭЛЛ-резист PMMA наносили на графен и структурировали в травленческую маску. Желаемая форма и размер определяются маской. Открытый графен травляли кислородной плазмой при 5 Па, 100 Вт, 5 с. Затем раствор изопропанол/метиллизобутилкетон (3:1) удаляли PMMA, за которым осаждали нитрид кремния (Si₃N₄) затворной диэлектрик ПЭХОС. Наконец, затворной электрод осаждали электронно-лучевым испарением поверх Si₃N₄.

Анализ образцов

Морфологию и структуру р-ГНС и с-ГНС характеризовали SEM (Hitachi S-4800). Электрические свойства измеряли полупроводниковым анализатором параметров (Agilent 4294A) при комнатной температуре, оптические — собственной оптической системой.

Результаты и обсуждение

Схема изготовленных терагерцевых детекторов на с-ГНС показана на рис. 2а. Источник и сток на SiO₂/Si с однослойным графеном, вырезанным в с-ГНС. Типичная геометрия с-ГНС на рис. 2б. Непрерывные крупномасштабные ГНС длиной 20 мкм и шириной 60 мкм использовали как канал. Чтобы снизить повреждения при производстве оксидного слоя, выбрали низкотемпературный ПЭХОС нитрида кремния. Дополнительное преимущество Si₃N₄ перед SiO₂ для графеновых приборов — более высокая частота поверхностных полярных оптических фононов (~110 против ~56 мэВ для SiO₂), что должно уменьшить удаленное неупругое фононное рассеяние в графеновом канале. Для сравнения также подготовили детекторы на р-ГНС (рис. 2в,г). «W» на рис. 2б,г — значения ширины шейки, определяемые как минимальное расстояние между соседними нанодосками, самый критичный параметр ГНС.

Электрические измерения при комнатной температуре для изучения влияния ширины шейки на характеристики детекторов. Четыре массива р-ГНС и с-ГНС с шириной шейки 30, 40, 50, 60 нм составлены ЭЛЛ. Рис. 3а — SEM р-ГНС с разной шириной шейки. Рис. 3б — с-ГНС. Ширина шейки соответствует дизайну маски за счет контроля времени и мощности травления. При фокусировке SEM сканирующий электрон влияет на графен, меняя цвет изображения, но морфологию и размеры не меняет. Оба типа массивов получены однородно в крупномасштабе ЭЛЛ.

Для изучения электронных свойств ГНС изготовили ТФТ на ГНС с шириной шейки 30, 40, 50, 60 нм. ГНС можно рассматривать как высокосвязанную сеть ГНЛ; теоретически и экспериментально показано, что ширина проводимой зоны обратно пропорциональна ширине ленточки. Узкая шейка дает достаточную энергию щели для хорошего затворного отклика и on/off, а плотная сеть — более высокий ток.

Рис. 4а — вольт-амперные характеристики (I_ds−V_g) при V_ds=2 В для с-ГНС с шириной шейки 30, 40, 50, 60 нм: I_on/I_off ~ 40, 25, 5, 4. Рис. 4б — для р-ГНС: I_on/I_off ~ 100, 25, 8, 3. Ток с-ГНС в ~2 раза выше р-ГНС из-за большей эффективной площади проводимого канала. Однако I_on/I_off р-ГНС выше, что связано с большей внутренней границей нанодосок (разная геометрия) и краевыми дефектами, усиливающими квантовое замыкание и локализацию. Устройства на р-ГНС и с-ГНС показывают четкую проводимость с минимумом в точке Дирака ≈ −5 В. Пороговое напряжение ~15 В для 30-нм устройств. Проводимость (рис. 4в) с-ГНС выше из-за большего коэффициента заполнения проводимого канала. Контактное сопротивление мало, канальное — в основном сопротивление ГНС. Наши с-ГНС и р-ГНС выдают более высокий ток благодаря большой площади и однородному размеру по сравнению с ранее сообщенными ГНЛ или ГНС.

Рис. 5а — схема энергетической диаграммы ГНЛ с источником и стоком. При увеличении V_DS уровни источника и стока приближаются к краям проводимой и валентной зон. Когда край зоны попадает в окно смещения, электроны (дырки) инжектируются, ток резко возрастает. Затворное напряжение смещает положение щели относительно уровней источника-стока. Рис. 5б,в — кривые I_DS−V_DS при V_GS близком к зарядово-нейтральному для р-ГНС и с-ГНС с шириной 30 и 40 нм, показывают области «включения» и «выключения» в зависимости от положения ферми-уровня. С увеличением ширины шейки окно низкой проводимости сужается. Для р-ГНС 30 и 40 нм энергетические щели оценены в 0,23 и 0,17 эВ (рис. 5б). Для с-ГНС 30 и 40 нм — 0,19 и 0,16 эВ (рис. 5в). Значения подтверждают обратную пропорциональность щели ширине шейки и улучшение щели краевыми дефектами р-ГНС.

Оптоэлектронные свойства р-ГНС исследовали на оптической системе (рис. 6а) для фототоковых тестов. Черное тело с 3-ТГц полосовым фильтром генерировало терагерцевое излучение, измеряли переменный фототок локин-усилителем, синхронизированным с частотой чоппера. Без смещения источник-сток фототок почти нулевой из-за прямого контакта металл-графен, когда фотонные носители рекомбинировали. При V_ds=0,2 В получили фототоки 0,28, 0,32, 0,4, 0,93 нА под 3 ТГц для р-ГНС 30, 40, 50, 60 нм (рис. 6б). Резкий скачок до 0,93 нА при 60 нм. Поглощение графена в видимом ~2,3% (термоэлектрический эффект). При ИК-энергии ниже ИК термическое нагревание графена снижает проводимость, исключая тепловой эффект как причину роста фототока. Фотопроводящий эффект: когда энергия фотона совпадает с щелой ГНС, щель усиливает разделение фотонно-индуцированных экситонов и эффективность извлечения носителей, резко увеличивая фототок при ширине шейки 60 нм.

Детектор Голэя (TYDEX GC-1P) откалибровал мощность источника для определения терагерцевой отзывчивости. Отзывчивость р-ГНС с шириной шейки 60 нм составила 12 мА/Вт при комнатной температуре.

Кроме того, тест визуализации ключевого образца успешно реализован в простой бифокальной системе. Из-за лимита перемещения нанопозиционира (25×25 мм) получен терагерцевый образ части ключа (рис. 7), четко показывающий профиль. Визуализация завершена непрерывным сканированием 50×50 точек за ~75 с, время отклика одной детекции < 20 мс. Это показывает пригодность р-ГНС детектора для точной и быстрой визуализации макроскопических образцов.

Заключение

Успешно обработаны затворно-управляемые ТФТ с крупномасштабными упорядоченными массивами р-ГНС и с-ГНС разной ширины шейки ЭЛЛ. ТФТ изготовлены с непрерывным ГНС как проводящим каналом. При комнатной температуре электрические измерения показали, что приборы с разной шириной шейки имеют разные I_on/I_off и энергетические щели. Особенно, р-ГНС с шириной шейки 30 нм дает наибольшее I_on/I_off ~ 100 и щель 0,23 эВ. Хотя ток с-ГНС выше, I_on/I_off меньше, вероятно, из-за большей краевой шероховатости р-ГНС. На базе фотопроводящего эффекта терагерцевая отзывчивость р-ГНС измерена 10 мА/Вт. Для практических применений проведен терагерцевый образ при комнатной температуре: приборы пригодны для точной и быстрой визуализации макроскопических образцов.

Аббревиатуры

c-GNM

Круговая графеновая наносетка

EBL

Электронно-лучевая литография

FETs

Полевые транзисторы с затвором

GNM

Графеновая наносетка

GNR

Графеновая наноленточка

MIBK

Метиллизобутилкетон

PECVD

Плазменно-усиленное химическое осаждение из паровой фазы

PMMA

Полиметилметакрилат

r-GNM

Прямоугольная графеновая наносетка