Высокопроизводительный полностью оптический терагерцовый модулятор на основе трехслойных гетеропереходов графена / TiO2 / Si

Введение

Технология формирования изображения терагерцового (ТГц) диапазона [1] и технология терагерцовой связи [2, 3] - два основных направления исследований в области ТГц. А модуляторы ТГц диапазона являются основными компонентами технологий, которые могут модулировать передачу и отражательную способность волн ТГц диапазона путем модуляции сигналов (свет, электричество, тепло и т. Д.) [4]. В области модуляторов ТГц диапазона было проведено много исследований [5, 6], в основном сосредоточенных на материалах. Полупроводниковые материалы, такие как Si и Ge, использовались для модуляторов ТГц диапазона. Но характеристики модуляции не идеальны, а глубина модуляции невелика, поэтому было предложено много новых материалов [7,8,9]. Типичный новый материал - метаматериал. Высокоскоростные модуляторы ТГц диапазона могут быть реализованы путем объединения метаматериала с полупроводниками. Однако полоса пропускания модуляторов на основе метаматериала все еще очень мала из-за фиксированной конструкции и усложняется процесс изготовления [10, 11]. Другой типичный материал - это материал с фазовым переходом, такой как VO ₂ . . При определенной температуре или напряжении VO ₂ может претерпевать обратимый фазовый переход между изолирующим и металлическим состояниями, и соответственно изменяются электромагнитные свойства. Металлическое состояние может вызвать затухание ТГц волны. Но волна ТГц может легко проникнуть через изолирующее состояние ВО ₂ . . Следовательно, передачу ТГц можно модулировать, применяя внешнее возбуждение для изменения фазы VO ₂ . Но такие модуляторы [12,13,14,15] основаны на изменении температуры и имеют более медленное падение температуры, поэтому скорость модуляции низкая.

В последние годы графен постепенно стал применяться в технологии ТГц диапазона благодаря его превосходным электронным, оптическим и механическим свойствам [16,17,18,19]. Ли и др. изготовили электрически управляемый ТГц модулятор путем интеграции графена с метаматериалами [20]. Когда электрические и оптические свойства графена были улучшены за счет сильного резонанса атомов металла, взаимодействие света с веществом усилилось, реализовав амплитудную модуляцию пропускаемой терагерцовой волны на 47% и фазовую модуляцию на 32,2%. В 2012 году Sensale et al. подготовили модулятор ТГц волны на основе графена полевого транзистора (GFET), в то время как напряжение на затворе настраивало концентрацию носителей в графене [21]. Однако глубина модуляции этого типа модулятора [22,23,24] была небольшой из-за ограниченной инжекции несущей. ТГц модулятор графен / n-Si, изготовленный Weis et al. имеет глубину модуляции до 99% при возбуждении фемтосекундным импульсным лазером с длиной волны 808 нм [25]. Позже ТГц модулятор графен / n-Si, созданный Ли и др. достигла глубины модуляции 83% при одновременном электрическом и оптическом возбуждении. Однако, когда электрическое поле не применялось, добавлялся только свет, и эффект модуляции был не очень хорошим [26]. В качестве недорогого, нетоксичного и химически стабильного полупроводникового материала диоксид титана (TiO ₂ ) привлекла большое внимание в области энергетики и окружающей среды. Он не только используется для фотокаталитического разложения загрязнителей окружающей среды, но также широко используется в солнечных элементах. Недавно Tao et al. подготовил MoS ₂ фильм на TiO ₂ поверхность [27]. Интерфейс создавал сильное встроенное электрическое поле, которое улучшало разделение электронно-дырочных пар, что приводило к улучшению его фотокаталитических свойств. В 2017 году Cao et al. изготовлен высокопроизводительный перовскит / TiO ₂ / Si фотоприемники [28]. Они объяснили улучшение характеристик повышенным разделением и уменьшением рекомбинации фотовозбужденных носителей на границе между Si и перовскитом за счет введения TiO ₂ фильм. Здесь графен / TiO ₂ / p-Si изготовлен полностью оптический наноструктурированный ТГц модулятор. Разработанное нами устройство имеет большую глубину модуляции, не более 88% в диапазоне частот от 0,3 до 1,7 ТГц.

Методы

Si (p-тип, удельное сопротивление ρ толщиной 500 мкм) ~ 1–10 Ом · см) подложки последовательно промывали ацетоном, этанолом и деионизированной водой в течение 20 мин в ультразвуковой ванне, а затем погружали в 4,6 М раствор HF на 10 мин для удаления слоя естественного оксида на поверхности. Затем очищенный Si погрузили в 0,1 М TiCl ₄ . водный раствор при 343 К в течение 1 ч для получения TiO ₂ толщиной 10 нм фильм. Монослойный графен был выращен на меди методом химического осаждения из газовой фазы [29]. А затем графен был перенесен на TiO ₂ пленка методом влажного травления [30] с образованием графена / TiO ₂ / p-Si гетероструктура. Вся площадь образца составляет 1 см ² . Качество графена охарактеризовано с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света. Спектры поглощения измеряли спектрофотометром в УФ-видимой области (Shimadzu, UV-3600). Измерения ультрафиолетовой фотоэмиссионной спектроскопии (UPS) (Thermo Scientific, Escalab 250Xi) были выполнены для получения структуры энергетических зон. Статическая модуляция оценивалась системой временной области Fico THz (Zomega Terahertz Corporation).

Результаты и обсуждение

Структура полностью оптического графена / TiO ₂ ТГц модулятор / p-Si схематически изображен на рис. 1а. Волна ТГц и лазер одновременно падали со стороны графена. В качестве модулирующего сигнала применялся полупроводниковый лазер с длиной волны 808 нм, диаметром пятна ~ 5 мм и мощностью от 0 до 1400 мВт. Луч ТГц (~ 3 мм) мог перекрываться лазерным лучом. А прошедшие ТГц волны измерялись системой THz-TDS при различной мощности лазера. Поскольку производительность модуляторов графена имеет отношение к качеству графена, мы оценили качество перенесенного графена на Si и TiO ₂ / p-Si с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света лазером с длиной волны 514 нм, как показано на рис. 1b. Очевидно, что пик G и 2D графена на p-Si находятся при ~ 1580 см ⁻¹ и 2681 см ⁻¹ , соответственно. Для графена на TiO ₂ / p-Si, пик G расположен на ~ 1575 см ^-1 а 2D-пик расположен на ~ 2667 см ^-1 . По сравнению со спектром комбинационного рассеяния графена на кремнии, G- и 2D-пики графена на TiO ₂ / p-Si сдвигается влево из-за напряжения на графене, вызванного введением TiO ₂ . Кроме того, пики D слабые как для графена на Si, так и для TiO ₂ / p-Si. Двумерные пики соответствуют одному лоренцеву и более чем в два раза превышают высоту пиков G. Результаты комбинационного рассеяния показывают, что перенесенный графен на Si и TiO ₂ / p-Si - это однослойный графен высокого качества [31].

Схема эксперимента и спектры комбинационного рассеяния света графена. а Схема полностью оптического ТГц модулятора. Модулятор состоит из однослойного графена на подложке p-Si с TiO ₂ . фильм. б Рамановские спектры графена на Si и TiO ₂ / подложки p-Si

На рис. 2a – c показан коэффициент пропускания волны ТГц диапазона Si, графен / Si и графен / TiO ₂ . / Si при различной мощности лазера, соответственно, что измеряется системой временной области Fico THz. Без фотовозбуждения Si, графен / Si и графен / TiO ₂ / p-Si демонстрируют умеренное пропускание ~ 55% ТГц волны из-за частичного поглощения и отражения от носителей, поскольку Si является p-легированным. И коэффициенты пропускания без фотовозбуждения не имеют заметной разницы для всех из них, что указывает на TiO ₂ и графен не ослабляют ТГц волну, когда нет фотовозбуждения. Следовательно, TiO ₂ не вызывает дополнительных вносимых потерь. и графен. Когда мощность 808-нм лазера увеличивается от 0 до 1400 мВт, пропускание уменьшается в диапазоне от 0,3 ТГц до 1,7 ТГц для Si, графена / p-Si и графена / TiO ₂ / p-Si. При облучении лазером с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны Si, электроны будут возбуждены из валентной зоны в зону проводимости. На поверхности будут образовываться возбужденные электронно-дырочные пары, что приведет к увеличению проводимости. А поглощение и отражательная способность полупроводников в ТГц диапазоне зависят от изменения проводимости. Следовательно, когда волна ТГц диапазона проникает через облучаемый лазером Si, интенсивность передаваемой волны ТГц будет уменьшаться. Более того, количество электронно-дырочных пар, создаваемых Si при облучении лазером с длиной волны 808 нм, будет увеличиваться с увеличением мощности лазера. А увеличение проводимости Si приведет к ослаблению прошедшей волны ТГц диапазона. На рис. 2б пропускание графена / Si значительно уменьшается с увеличением мощности лазера, чем у кремния. Когда лазер облучают графен / Si, оптическое поглощение в Si намного выше, чем в графене, поэтому количество генерируемых носителей в Si намного больше, чем в графене. Свободные носители будут диффундировать из кремния в графен под действием градиента концентрации. Графен имеет более высокую подвижность носителей и поэтому претерпевает большее изменение проводимости, чем Si. В то время как поглощательная способность и отражательная способность THz зависят от изменения проводимости, характеристики модуляции графена / p-Si улучшены по сравнению с Si. Как показано на рис. 2c, уменьшение пропускания графена / TiO ₂ / p-Si резкий при мощности лазера 200 мВт и 400 мВт. Когда мощность лазера продолжает увеличиваться, уменьшение пропускания становится более мягким. В то время как применяемая мощность лазера составляет 1400 мВт, коэффициент пропускания ТГц падает примерно до 10% в диапазоне от 0,3 ТГц до 1,7 ТГц. Глубину модуляции можно рассчитать по ( T _{без возбуждения} - Т _{возбуждение} ) / Т _{без возбуждения} , где T _{без возбуждения} и T _{возбуждение} представляют собой интенсивность передачи ТГц без фотовозбуждения и с фотовозбуждением соответственно. Чтобы более интуитивно показать его характеристики статической модуляции, мы построили графики глубины модуляции как функции мощности лазера для Si, графена / Si и графена / TiO ₂ / p-Si, как показано на рис. 2d. Глубина модуляции графена / Si выше, чем у Si, в то время как глубина модуляции графена / TiO ₂ / p-Si выше, чем графен / p-Si. Глубина модуляции всех из них увеличивается с увеличением мощности лазера. При облучении мощностью 200 мВт глубина модуляции графена / TiO ₂ / p-Si составляет ~ 33%, что примерно в 6 раз больше, чем Si, в 2,5 раза, чем графен / Si, и выше, чем у модуляторов ТГц диапазона на основе графеновых полевых транзисторов [21]. Глубина модуляции графена / TiO ₂ / p-Si может достигать 88% при накачке лазером с длиной волны 808 нм и мощностью 1400 мВт, превышающей мощность модулятора на основе графена при одновременном электрическом и оптическом возбуждении [26]. Таким образом, по результатам статического теста мы можем сделать вывод о высокой производительности модулятора с широкополосным диапазоном и большой глубиной модуляции.

Тест на модуляцию. Спектры пропускания a Si, b графен / p-Si и c графен / TiO ₂ / p-Si при различной мощности лазера. г Глубина модуляции как функция мощности лазера для Si, графена / Si и графена / TiO ₂ Модуляторы / p-Si

Чтобы получить диаграмму энергетических зон графена / TiO ₂ / Si, мы провели измерения УФ-видимым спектрофотометром и ИБП, как показано на рис. 3. Согласно рис. 3а, мы можем рассчитать, что ширина запрещенной зоны Si и TiO ₂ составляет 1,19 и 2,98 эВ соответственно. На рисунке 3b показаны измерения ИБП на Si, TiO ₂ . , графен и Au. Чтобы подтвердить положение уровня Ферми измерителя, мы провели измерения ИБП на Au [32]. 3 c и d - увеличенные части рис. 3b. Из рис. 3c, начало вторичных электронов в спектрах составляет 16,33, 16,97, 16,43 и 17,11 эВ для Si, TiO ₂ . , графен и Au соответственно. Следовательно, положение уровня Ферми измерителя составляет 0,98 эВ, а работа выхода Si, TiO _2, а графен - 5,85, 5,21 и 5,75 эВ соответственно. Согласно рис. 3 (г), значение максимума валентной зоны Si и TiO ₂ находится на 1,48 и 2,86 эВ. Уровень валентной зоны Si и TiO ₂ рассчитано как -6,35 и -7,09 эВ. В сочетании с запрещенной зоной Si и TiO ₂ , мы можем получить уровень зоны проводимости Si и TiO ₂ , что составляет - 5,16 и - 4,11 эВ.

Спектры поглощения и спектры UPS. а Спектры поглощения Si и TiO ₂ / Si. б Спектры ИБП Si, TiO ₂ , графен и Au. c Увеличенные части b показывая начало вторичных электронов. г Увеличенные части b показывает максимум валентной полосы

Основываясь на приведенных выше результатах, диаграмма энергетических зон графена / TiO ₂ Гетеропереход / Si показан на рис. 4. E _c , E _v , и E _F обозначают энергию зоны проводимости, энергию валентной зоны и энергию уровня Ферми соответственно. TiO ₂ находится в прямом контакте с p-Si, а электроны в TiO ₂ рекомбинировать с дырками в p-Si, что приводит к обеднению слоя на границе раздела. Поскольку TiO ₂ «более слабый» n-тип, ширина обеднения TiO ₂ больше, чем в Si. Учитывая TiO ₂ пленка очень тонкая (~ 10 нм), полностью обедненное состояние появилось бы в TiO ₂ слой. Когда графен был перенесен на TiO ₂ / Si, в TiO ₂ не было лишних электронов. мигрировать в графен. Следовательно, в темном состоянии не будет слоя накопления носителей, и ТГц будет иметь высокое пропускание, что согласуется с результатами на рис. 2b. Когда графен / TiO ₂ Гетеропереход / p-Si фотовозбуждался лазером с длиной волны 808 нм, количество генерируемых электронно-дырочных пар в Si было намного больше, чем в графене и TiO ₂ . При фотовозбуждении уровень Ферми Si повышался при TiO ₂ / p-Si интерфейс. Более того, электроны переместились в сторону TiO ₂ а дырки - к Si из-за действия встроенного электрического поля. Существование TiO ₂ улучшено разделение фотовозбужденных носителей в Si, образуя проводящий слой n-типа в тонком TiO ₂ слой, препятствующий передаче волны ТГц. Как TiO ₂ слой относительно тонкий, влияние на передачу ТГц немного меньше. После переноса графена на TiO ₂ / p-Si, большое количество электронов в TiO ₂ будет инжектироваться в графен, что сдвигает уровень Ферми в более высокую зону проводимости. Между тем, проводимость графена увеличилась, что привело к большему затуханию ТГц волны. Таким образом была реализована большая глубина модуляции.

Зонная схема графена / TiO ₂ / Si гетеропереход

Выводы

Таким образом, мы успешно изготовили высокоэффективный полностью оптический графен / TiO ₂ . / p-Si терагерцовый модулятор. Модулятор имеет широкополосный диапазон от 0,3 до 1,7 ТГц с глубиной модуляции 88%. Вставка TiO ₂ В пленке появился PN переход с p-Si, а встроенное электрическое поле усилило разделение фотовозбужденных носителей в Si. Фотоэлектроны мигрировали из Si в TiO ₂ . , а затем инжектируется в слой графена, вызывая смещение уровня Ферми графена в зону более высокой проводимости. Следовательно, модуляция пропускания ТГц может быть реализована из-за увеличения проводимости в графене. Устройство также очень простое в изготовлении и недорогое. Нет необходимости в нанесении электродов, и TiO ₂ пленка может быть приготовлена ​​методом химического раствора. Более того, мы использовали полупроводниковый лазер, не обязательно дорогой лазер с фемтосекундными импульсами в качестве сигнала модуляции.

Сокращения

p-Si:

Кремний P-типа

ТГц:

Терагерц

ИБП:

Ультрафиолетовая фотоэмиссионная спектроскопия