Propriedades de infravermelho e modulação de onda Terahertz de grafeno / ferrita MnZn / heterojunções p-Si

Resumo

Filmes finos de ferrita MnZn foram depositados em substrato de p-Si e usados como camada dielétrica no transistor de efeito de campo de grafeno para aplicações de dispositivos infravermelhos e terahertz. As condições para a deposição de filme fino de ferrita MnZn foram otimizadas antes da fabricação do dispositivo. As propriedades do infravermelho e a modulação da onda terahertz foram estudadas em diferentes tensões de porta. Os filmes finos de ferrita MnZn resistiva e magnética são altamente transparentes para a onda THz, o que permite modular magneticamente a onda THz transmitida através da grande magnetorresistência da monocamada de grafeno.

Histórico

Dispositivos infravermelhos (IR) e terahertz (THz) são altamente importantes para muitos sistemas eletrônicos, como radar [1], comunicação sem fio [2] e sistemas de segurança [3]. Assim, é fundamental explorar os materiais [4,5,6,7] e estruturas [8,9,10,11,12,13,14] que podem ser usados na faixa do infravermelho e terahertz. Recentemente, foi descoberto que a transmissão da onda THz pode ser modulada com o transistor de efeito de campo de grafeno (GFET) por meio do ajuste das transições intrabanda da monocamada de grafeno [8]. Em seu modulador GFET THz original, B. Sensale-Rodeiguez e colegas de trabalho usam 92 nm SiO ₂ como o material dielétrico da porta, que alcançou profundidade de modulação de 15% e velocidade de modulação de 18 Kb / s de onda THz [8]. D. Zhang e colegas investigaram a modulação óptica THz do grafeno / SiO ₂ (150 nm) / p-Si GFET, que pode ser ajustado pela tensão da porta [15].

Mais tarde, verificou-se que a modulação da onda THz de GFET poderia ser melhorada substituindo o dielétrico da porta por alto k e Al denso ₂ O ₃ filme fino, que é crescido pela deposição da camada atômica [16]. Profundidade de modulação de 22% e velocidade de 170 kHz foi alcançada no grafeno / Al ₂ O ₃ (60 nm) / p-Si GFET variando a tensão da porta [16]. A modulação melhorada é atribuída ao espalhamento de impurezas de Coulomb reduzido e ao efeito de cavidade [16]. Além disso, usando YIG Bi-dopado (k ~ 12,0) como materiais dielétricos na heteroestrutura grafeno / Bi:YIG (50 nm) / p-Si, profundidade de modulação de 15% e velocidade de 200 kHz foram alcançadas de 0,1 a 1,2 THz aplicando a tensão da porta [17].

De acordo com estudos anteriores, a camada dielétrica pode afetar amplamente o desempenho do GFET que foi usado para THz e dispositivos de onda infravermelha. Selecionando cuidadosamente os materiais dielétricos, é possível ajustar o desempenho do GFET. Em estudos anteriores, camadas dielétricas não magnéticas de alto k foram usadas para dispositivos GFET terahertz e infravermelho, onde o sinal elétrico é extraído ou aplicado. No entanto, as camadas magnéticas e dielétricas bifuncionais não foram estudadas para GFET para aplicações terahertz e infravermelho, que poderiam ser ajustadas por campo magnético externo. Aqui, apresentamos filmes finos de ferrite MnZn pulverizada por pulverização catódica de 150 nm como os materiais dielétricos de GFET para aplicações THz e infravermelho. Como um high-k [18] e materiais magnéticos, os filmes finos de ferrita MnZn poderiam atuar como uma excelente camada dielétrica e também introduzir novas funcionalidades nos dispositivos GFET THz e infravermelho. A resposta do GFET de grafeno / ferrita MnZn / p-Si à iluminação infravermelha foi observada comparando as curvas I-V com e sem iluminação infravermelha em polarização de porta diferente. Enquanto isso, a modulação elétrica da onda THz foi alcançada pelo GFET conforme a tensão da porta era variada. Uma mudança sutil da onda THz transmitida também foi observada conforme o campo magnético externo era variado.

Métodos

Mn _1-x Zn _x Fe ₂ O ₄ filmes finos foram preparados por pulverização catódica RF magnetron. O material alvo foi produzido por co-precipitação de Fe (NO ₄ ) ₃ , Mn (NÃO ₄ ) ₃ e Zn (NÃO ₄ ) ₂ solução, que é calcinado a 950-1000 ° C por 2 h, em seguida, pressionado em um disco de 60 mm e, finalmente, sinterizado a 1250 ° C por 3,5 h. Os filmes foram depositados em (100) substratos de p-Si a 200–300 ° C sob pressão de base de 4 × 10 ⁻⁴ Pa e concentração de oxigênio de 0–25% (P _O2 / (P _O2 + P _Ar )). O filme (150 nm) foi recozido no vácuo entre 400 e 700 ° C sob pressão de 0,08 Pa – 5,0 Pa por 1,5 h.

As estruturas cristalinas de Mn _1-x Zn _x Fe ₂ O ₄ filmes finos foram caracterizados usando difração de raios-X Cu Kα (XRD, D / max 2400 X Series difratômetro de raios-X, Tóquio, Japão) a 40 kV e 100 mA. As microestruturas do Mn _1-x Zn _x Fe ₂ O ₄ filmes finos foram investigados usando um microscópio eletrônico de varredura (SEM:JOEL JSM6490LV). A rugosidade média aritmética da superfície (Ra) e a rugosidade quadrática média da raiz (RMS) foram medidas por um microscópio de força atômica (AFM:Veeco Mutimode Nano4). A indução de saturação foi testada por um analisador Iwatsu BH (SY8232). As propriedades magnéticas dos filmes foram medidas por um magnetômetro de amostra vibratória (VSM, MODEL:BHV-525).

Depois de otimizar as condições de crescimento de Mn _1-x Zn _x Fe ₂ O ₄ filmes finos em p-Si, monocamadas de grafeno foram então transferidos da folha de cobre para o Mn _1-x Zn _x Fe ₂ O ₄ filmes finos para formar heteroestruturas de grafeno / ferrita MnZn / p-Si. O grafeno foi fabricado pelo método de deposição química de vapor (CVD) em um forno tubular [19]. O método de transferência da monocamada de grafeno foi adaptado da referência [20]. Para fabricar o GFET, o eletrodo de porta, fonte e dreno foi depositado por evaporação de ouro. A estrutura do GFET usando ferrita MnZn como material dielétrico de porta é mostrada no Esquema 1. O GFET foi então caracterizado por um analisador de parâmetro semicondutor (Agilent 4155B) com uma estação de sonda (SUMMIT 1100B-M). Para a caracterização IR, as curvas I-V foram medidas sob a iluminação IR ( λ =915 nm, P =1 W), que foi comparado com aquele no ambiente escuro. A transmissão da onda Terahertz foi medida por um sistema de domínio de tempo THz (TDS) mediante a aplicação de tensão de porta e / ou campo magnético externo. O campo magnético externo é gerado por uma bobina de cobre feita em casa.

O GFET usando filme fino de ferrite MnZn 150 nm como material dielétrico de porta

Resultados e discussão

A Figura 1 mostra os padrões de XRD do Mn _1-x Zn _x Fe ₂ O ₄ filmes finos de ferrita em substratos de p-Si (100) pulverizados sob potências de RF de 100, 120, 140, 160 e 180 W, respectivamente. A estrutura espinélica de filmes finos de ferrita MnZn foi obtida sob diferentes potências de pulverização catódica. O pico de difração (311) é o mais forte, indicando a melhor cristalinidade no poder de deposição de 160 W. A Tabela 1 mostra a rugosidade média aritmética da superfície (Ra) e a rugosidade quadrática média da raiz (RMS), e o comprimento e largura dos grãos máximos de os filmes de ferrite nos substratos de p-Si (100). Conforme mostrado na Tabela 1, a rugosidade da superfície (Ra e RMS) dos filmes finos de ferrita MnZn aumenta com a potência de RF. No entanto, uma potência de RF muito baixa afetará a formação de filmes finos de ferrite MnZn. A rugosidade dos filmes finos de ferrita MnZn afetaria o desempenho dos dispositivos GFET IR e THz, que discutiremos mais tarde.

Padrões de XRD de amostras em substrato p-Si (100) e pulverizadas sob diferentes potências de pulverização catódica RF magnetron 100, 120, 140, 160 e 180 W

As imagens SEM e AFM dos filmes finos de ferrita MnZn em substratos de p-Si são mostrados na Fig. 2. Os grãos dos filmes finos de ferrita MnZn podem ser claramente observados. Depois de recozido, o tamanho do grão aumenta conforme mostrado na Fig. 2b, d. A Figura 3a mostra os padrões de XRD dos filmes finos de ferrita MnZn recozidos em diferentes temperaturas. O pico (311) do filme fino de ferrita MnZn é mais forte quando o filme é recozido a 550 ° C. Os loops de histerese magnética desses filmes finos também foram medidos por VSM à temperatura ambiente e são mostrados na Fig. 3b, a partir da qual a magnetização de saturação ( Ms ) e coercividade magnética ( Hc ) são obtidos. A Figura 3c mostra a Sra. e Hc dos filmes finos de ferrita MnZn recozidos sob a pressão de gás nitrogênio até 4 Pa. Abaixo de 3 Pa, o mais alto Ms e menor Hc são obtidos a 0,5 Pa. Acima de 3 Pa, o Ms diminui drasticamente, o que pode ser devido à reação entre o gás nitrogênio e o filme fino. A Figura 3d mostra Srta. e Hc do filme fino de ferrita em função da temperatura de recozimento à pressão de nitrogênio de 1,5 Pa. A Ms ( Hc ) o valor dos filmes finos de MnZn atinge o valor máximo (mínimo) de 330 kA / m (1600 A / m =20 Oe) a 550 ° C. O máximo Sra. e o mínimo Hc correspondendo a melhor cristalinidade dos filmes finos de MnZn, que é consistente com os dados de XRD na Fig. 3a. Em temperatura e pressão de gás mais altas, os átomos da superfície do filme fino foram nitretados em impurezas, que deterioram as propriedades magnéticas do filme fino de ferrita MnZn. Como resultado, os filmes finos de MnZn foram preparados em temperatura de recozimento de 550 ° C e sob pressão de vácuo abaixo de 3 Pa.

Imagens SEM de ( a ) depositado e ( b ) filme fino de ferrita MnZn recozido, ( c ) e ( d ) mostram as imagens AFM correspondentes

Caracterização de filmes finos de MnZn pulverizados. ( a ) Padrões de XRD e ( b ) loops de histerese de filmes finos de MnZn recozidos a 350, 450, 550, 650 e 750 ° C. Magnetização de saturação ( Srta. ) dos filmes finos de MnZn quando recozidos sob a pressão de 0,0 Pa a 4,5 Pa in ( c ) e temperatura de 450 a 700 ° C em ( d )

Grafeno cultivado na mesma folha de cobre foi então transferido para filmes finos de ferrita MnZn para fazer GFETs com a estrutura mostrada no Esquema 1. Aqui, nós fabricamos GFET com filmes finos de ferrita MnZn pulverizados a 100 e 150 W e recozidos nas condições ideais, conforme discutido acima . A Figura 4a, b mostra a corrente elétrica medida entre o dreno e a fonte como uma função da tensão de porta aplicada para os dois GFETs. Durante a medição, a tensão aplicada entre a fonte e o dreno é mantida constante em 1 V. A corrente aumenta gradualmente à medida que a tensão da porta aumenta negativamente. A corrente muda muito lentamente quando a tensão da porta é polarizada positivamente. As características assimétricas I-V dos dois GFETs podem ser o resultado da emissão termoiônica e tunelamento interband nas junções entre as regiões de gated e de acesso [21]. A resistência do grafeno na película fina de ferrite MnZn pulverizada de 100 W é muito menor do que na película fina de ferrita pulverizada de 150 W na mesma polarização de porta, em comparação com a Fig. 4a, b. A maior resistência na Fig. 4b pode ser resultado da maior rugosidade dos filmes finos de ferrita MnZn pulverizada 150 W, em comparação com a Tabela 1. A ondulação induzida por rugosidade da monocamada de grafeno pode suprimir o transporte de portadores de carga, levando a uma maior resistência [22].

Caracterização de IR. ( a ) e ( b ) I _sd -V _sg curvas do GFET com filme fino de ferrita MnZn sputtered a 100 e 150 W, respectivamente. ( c ) e ( d ) compare o I _sd -V _sg curvas sob iluminação IV e sem iluminação. A tensão aplicada entre a fonte e o dreno é 1,0 V para todas as curvas

A Figura 4c, d mostra a comparação das curvas I-V em ambiente escuro e iluminação infravermelha para GFETs usando filmes finos de ferrita MnZn pulverizados de 100 e 150 W, respectivamente. A luz infravermelha está no comprimento de onda de 915 nm e potência de 1 W em uma janela de ~ 1 cm ² . A tensão aplicada entre a fonte e o dreno é de 1 V. A curva I-V do GFET sob iluminação infravermelha é análoga àquela medida no ambiente escuro, no entanto, com corrente significativamente aumentada. O aprimoramento é muito mais forte para o GFET usando filmes finos de ferrita MnZn 100 W pulverizada como camada dielétrica do que usando filme fino de ferrita MnZn 150 W pulverizada. O aprimoramento é de ~ 7,5 vezes na tensão de porta de 10 V para filme fino de ferrita MnZn pulverizada de 100 W, que é de ~ 2,5 vezes para filme fino de ferrita MnZn pulverizada de 150 W. Nomeadamente, a rugosidade da superfície de filmes finos de ferrite MnZn também pode afetar as propriedades optoeletrônicas infravermelhas.

O GFET com 100 W sputtered MnZn ferrite filmes finos foi então usado para examinar as propriedades de modulação de ondas THz. A Figura 5a mostra a transmitância de ondas THz através do GFET após a aplicação de polarização de porta diferente. A transmitância foi medida por um pulso THz usando um sistema THz-TDS, e a transmitância no domínio da frequência foi obtida pela transformação de Fourier usando ar como linha de base. Quando a tensão da porta varia de 25 V a −25 V, a resistência entre a fonte e o dreno diminui, conforme mostrado na Fig. 4a. A redução da resistência resulta na reduzida transmitância da onda THz, conforme mostrado na Fig. 5a . Nomeadamente, a transmissão da onda THz pode ser modulada pela aplicação de tensão de porta diferente do GFET. A onda THz transmitida também foi medida quando um campo magnético externo foi aplicado, o que é mostrado na Fig. 5b. Conforme o campo magnético externo aumenta, a intensidade da onda THz transmitida diminui, que satura acima de 50 Oe. A variação da intensidade transmitida da onda THz sob o campo magnético externo pode ser devido à grande magnetorresistência do grafeno [23]. O filme fino de ferrite MnZn embaixo fornece um forte campo de franja após a magnetização por campo magnético externo. A magnetorresistência da hetrojunção grafeno / ferrita MnZn / p-Si é mostrada no Arquivo Adicional 1:Figura S1 nas informações suplementares. No entanto, a modulação da onda terahertz é sutil (5%), o que pode ser devido à superfície irregular dos filmes finos de ferrita MnZn e / ou à pequena mudança da modulação terahertz com a resistência. O grafeno pode sentir o campo de franja muito mais forte e uniforme em um filme fino de ferrita MnZn extremamente suave, que pode ter maior magnetorresistência do grafeno e dar maior profundidade de modulação por campo magnético externo.

Caracterização de THz. ( a ) O espectro de transmitância THz de 0,2 a 1,0 THz em diferentes tensões de porta de −25 a 25 V, e ( b ) o espectro de domínio de frequência sob diferentes campos magnéticos externos de 0,63 a 0,70 THz

Conclusões

A heteroestrutura de grafeno / ferrita MnZn / p-Si foi fabricada para aplicações de dispositivos IR e THz. O filme fino de ferrita MnZn foi depositado no p-Si por pulverização catódica de magnetron, que foi recozido antes de ser usado para a fabricação de GFET. Os filmes finos de ferrita MnZn fornecem um material dielétrico alternativo para os dispositivos GFET IR e THz. Como um filme fino magnético e de alta resistência, pode fortalecer a magnetorresistência do grafeno e a modulação dos THz transmitidos sem introduzir perda de inserção adicional. A rugosidade da superfície do filme fino de ferrite MnZn pode afetar amplamente o desempenho dos dispositivos IR e THz. Um desempenho mais alto pode ser alcançado tornando a película fina de ferrite MnZn mais lisa. Esse trabalho está em andamento.

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