Análise de mapeamento Raman de micro-ressonadores de silício integrados com grafeno

Resumo

Apresentamos um estudo de mapeamento Raman de bandas G e 2D de grafeno monocamada, após integração em micro-ressonadores baseados em guia de onda de silício (MRRs) para caracterizar os efeitos dos processos de transferência de grafeno em suas propriedades estruturais e optoeletrônicas. A análise das posições de pico Raman G e 2D e intensidades relativas revelam que o grafeno é eletricamente intrínseco onde está suspenso sobre o MRR, mas é moderadamente dopado por orifícios onde fica no topo da estrutura do guia de ondas. Isso é sugestivo de "fixação" do nível de Fermi na interface heterogênea de grafeno-silício, e estimamos que o nível de Fermi muda para para baixo por aproximadamente 0,2 eV de seu valor intrínseco, com uma concentração de orifício de pico correspondente de ~ 3 × 10 ¹² cm ⁻² . Atribuímos variações na assimetria do pico G observada a uma combinação de um ‘enrijecimento’ do E _2g fônon óptico onde o grafeno é suportado pela estrutura de guia de onda MRR subjacente, como resultado desta concentração de orifício aumentada, e uma redução da degenerescência do mesmo modo como resultado de 'enrugamento' fora do plano localizado (efeito de curvatura) , onde o grafeno está suspenso. Exame de grafeno integrado com dois dispositivos MRR diferentes, um com raios de curvatura r =10 μm e o outro com r =20 μm, indica que a geometria do dispositivo não tem efeito mensurável no nível de dopagem.

Histórico

A integração com a plataforma fotônica de silício é onde o grafeno pode ter o maior impacto, em aplicações como fotodetecção, modulação óptica e detecção bioquímica, graças ao potencial de fabricação em massa de back-end-of-line CMOS a um custo relativamente baixo [1 ] Na verdade, a pesquisa nesta área já está se estabelecendo [2, 3], mas para realizar dispositivos de alto desempenho, o processo de transferência de grafeno deve ser otimizado e quaisquer modificações relacionadas ao processamento nas propriedades mecânicas e eletrônicas do grafeno precisam ser adequadamente caracterizada e compreendida. Por exemplo, é amplamente conhecido que substratos de silício integrado com grafeno (e outros) tendem a render uma quantidade significativa de contaminantes de processo e defeitos relacionados à ligação de material heterogêneo, o que pode afetar a qualidade do dispositivo na junção entre os dois materiais. Mudanças na estrutura da banda de grafeno como resultado de deformação e dopagem não intencional nessas interfaces podem aparecer nas assinaturas de espalhamento Raman, por meio de mudanças na posição do pico, largura, assimetria e intensidades de pico relativas. A espectroscopia Raman tem sido usada como uma ferramenta sensível para avaliar as propriedades eletrônicas e vibracionais do grafeno [4], incluindo deformação [5], nível de dopagem [6], densidade de defeito [7] e estrutura de borda [8], embora os efeitos destes possam ser difíceis de separar daqueles influenciados pelo substrato. A intensidade, largura, taxa de deslocamento e divisão do grafeno Raman atinge o pico com deformação e p - e n -tipo de dopagem já foi relatado [5, 9,10,11].

O grafeno exibe três picos de espalhamento Raman principais, cada um com uma origem física distinta:o pico duplamente ressonante (DR) D aparece em torno de 1350 cm ⁻¹ [12] e está relacionado à desordem, geralmente, o que significa que sua aparência e intensidade relativa são frequentemente usadas como uma medida da qualidade do material transferido (ou seja, é fraco ou ausente em material puro de alta qualidade). Os outros dois picos principais são o pico G, que é derivado da dispersão grafítica no plano dos fônons centrais da zona e está localizado em torno de 1580 cm ⁻¹ [8, 12], e o pico 2D (segunda ordem do pico D), que aparece em torno de 2700 cm ⁻¹ [13]. Apesar de sua relação com o pico D, o pico 2D é forte em grafeno puro de alta qualidade (ou seja, quando o pico D está ausente) devido ao fato de que ele satisfaz a regra de seleção fundamental ( q =0) especificamente por um processo de espalhamento de elétron-fônon DR, enquanto o pico D requer espalhamento de defeito de elétron altamente localizado para conservar o momento [12, 14,15,16]. A forma, intensidade e posições dos picos G e 2D permitem a determinação do número de camadas de grafeno, bem como qualquer deformação inerente e a presença de portadores em excesso no material a ser discernido [8, 13].

A integração do grafeno com a plataforma fotônica de silício é interessante de uma série de perspectivas de aplicações de dispositivos, por exemplo, para demonstrar sensores bioquímicos aprimorados nos quais o grafeno atua como uma camada funcional de superfície de alta afinidade para espécies adsorvidas que podem ser sondadas por campos ópticos evanescentes no dispositivo fotônico de silício subjacente. A natureza bidimensional do grafeno também leva a uma estrutura de banda optoeletrônica, cujo preenchimento de carga pode ser ajustado por portas eletrostáticas de potência muito baixa. Neste caso, o efeito de "bloqueio de Pauli" pode alterar a opacidade do material para fótons que chegam, proporcionando a possibilidade de modulação ou comutação ótica muito rápida (GHz), que provavelmente será útil em aplicações de telecomunicações. Relatórios anteriores [17,18,19,20] do coeficiente de absorção linear no plano do grafeno via integração com dispositivos baseados em guia de onda fotônica de silício produziram resultados bastante diferentes, sugerindo que o processo de transferência específico e a qualidade da interface do substrato nesses estudos podem desempenham algum papel nas variações observadas. Neste trabalho, a caracterização espacial dos picos Raman G e 2D através de um micro-ressonador do tipo pista de corrida de silício integrado com grafeno (MRR) é demonstrada usando uma técnica de mapeamento. Nossa abordagem é investigar as frequências de pico G e 2D, suas intensidades e larguras integradas relativas e correlacioná-las com a posição espacial para elucidar o efeito do guia de onda de silício subjacente nas propriedades estruturais e optoeletrônicas do grafeno nesta interface.

Métodos / Experimental

Os dispositivos Si MRR neste estudo foram fabricados em uma fundição comercial de Si (CEA-LETI, França) e compreendem guias de onda de 335 nm de largura, litograficamente formados a partir de silício sobre isolante comercial de 220 nm com 2 μm - camada espessa de óxido enterrado. Estas dimensões de guia de onda, especificamente, a largura de guia de onda relativamente estreita (em comparação com guias de onda de faixa típicos), foram selecionadas para garantir uma boa sobreposição modal com grafeno integrado de superfície, pós-transferência. Dois dispositivos MRR do tipo 'pista de corrida' são estudados, um em que o componente radial é de 10 μm e o outro é de 20 μm e ambos com seções lineares idênticas de 20 μm de comprimento. Antes da transferência de grafeno, os dispositivos foram lavados com acetona, álcool isopropílico (IPA), água desionizada e removedor de resina resistente (NMP:1-metil-2-pirrolidona). Isso foi seguido por um condicionamento com plasma de oxigênio (por 40 s) imediatamente antes da transferência. O grafeno foi cultivado por deposição química de vapor (CVD) em folhas de cobre (Gratome-R-Cu, Bluestone Global Tech) e, em seguida, transferido para os guias de onda pré-limpos usando um procedimento de transferência úmida mediada por polímero [21]. O grafeno foi padronizado, para garantir a cobertura seletiva dos dispositivos MRR, usando fotolitografia de varredura raster e condicionamento com plasma de oxigênio. A fim de garantir uma amostra o mais limpa possível, um tratamento de recozimento subsequente a 270 ° C em uma atmosfera redutora e lavagem com acetona foi aplicado levando à remoção quase completa do fotorresiste residual, conforme revelado por nossas imagens ópticas.

O mapeamento espectral Raman foi realizado à temperatura ambiente na configuração de retroespalhamento, usando um Espectrômetro de Evolução Horiba LabRAM HR com grade de 600 g / mm. O sinal de espalhamento foi coletado confocamente e detectado com uma câmera Peltier de dispositivo acoplado de carga resfriada (CCD) integrada. As amostras foram excitadas por uma luz de laser neon de hélio de 633 nm, e o movimento mecânico da amostra durante o mapeamento foi fornecido por um microscópio motorizado Marzhauser estágio XYZ. A luz do laser incidente foi focada na superfície da amostra usando uma lente objetiva × 50 com abertura numérica de 0,75. Para evitar o aquecimento do laser, a densidade de potência do laser na amostra foi mantida abaixo de 2 mW [22]. Mapas Raman foram obtidos para dois dispositivos MRR de silício integrados em grafeno diferentes, com raios de curvatura r =10 μm e 20 μm. Os mapas foram obtidos a partir de uma matriz de 120 × 120 pontos com um tamanho de passo entre cada ponto de 0,25 μm, e a frequência, intensidade e largura precisas dos picos Raman G e 2D foram determinadas pelo ajuste com formas de linha Lorentziana aos picos espectrais . A partir de medições de uma amostra de silício de cristal único usando a mesma configuração de instrumento (largura da fenda, grade e fonte de excitação), estimamos uma resolução espectral da largura de banda do pico principal de espalhamento de Si de 4,6 cm ⁻¹ ou melhor.

Resultados e discussão

Para verificar se havíamos transferido o grafeno de camada única, antes do estudo de mapeamento Raman, também medimos o sinal de espalhamento Raman de ponto único, Fig. 1, imediatamente após a transferência (usando um sistema Renishaw 1000 de 514 nm). Este espectro revela um pico Raman D fraco indicando baixa desordem estrutural (grafeno de qualidade razoavelmente alta); um intenso (em relação ao pico G), modo de espalhamento 2D simétrico; e uma posição de pico G de ~ 1587 cm ⁻¹ . Esta combinação de um pico de espalhamento 2D simétrico relativamente intenso e uma frequência de pico G próxima ao valor previsto, ω _G ( n ) =1581,6 + 11 / (1 + n ^1.6 ) onde n é o número da camada [23], confirma que o grafeno transferido é de fato uma única camada [24]. A imagem óptica do MRR monocamada integrado com grafeno ( r =10 μm) é apresentado na Fig. 2a, b, e as regiões mapeadas para os picos de grafeno G e 2D são mostrados na Fig. 2a e Fig. 2b, respectivamente. As Figuras 2c, d são os mapas de posição de pico G e 2D resultantes, que revelam mudanças de frequência para cima (de até ~ 11 e ~ 8 cm ⁻¹ , respectivamente) onde o grafeno fica no topo da estrutura do guia de ondas MRR em relação ao local onde está suspenso.

Espectro de espalhamento Raman de ponto único (excitação 514 nm) a partir do qual inferimos a transferência de grafeno de camada única nos dispositivos de guia de ondas de Si estudados aqui como resultado do modo de espalhamento 2D simétrico intenso e frequência de pico G, ω _G ~ 1587 cm ⁻¹

Imagem ótica de cor falsa do mesmo Si MRR revestido de grafeno ( r =Dispositivo de 10 μm) (barra de escala =10 μm) mostrando as diferentes regiões mapeadas (quadrados brancos tracejados) para o a G e b Picos 2D, respectivamente. O grafeno é revelado pelo contraste ligeiramente mais escuro (com seu canto inferior esquerdo indicado pelas setas). c e d mostram a posição de pico correspondente e e e f os mapas de nível de Fermi, determinados a partir das Eqs. (1) e (2), respectivamente

Os picos Raman G e 2D deslocados podem ser associados à deformação ou dopagem ou uma combinação destes na camada de grafeno. No entanto, no limite de baixa deformação (onde não há divisão do pico G), a mudança relacionada à deformação do pico 2D (∂ ω _{2 D} / ∂ ε ) é aproximadamente seis vezes maior do que o pico G (∂ ω _G / ∂ ε ) [5]. O fato de observarmos mudanças amplamente equivalentes dos picos G e 2D onde o grafeno fica no guia de ondas aqui indica que a causa dominante da mudança é improvável que seja a deformação. Por outro lado, a taxa relativa e a direção dos deslocamentos de pico G e 2D com dopagem são altamente específicas para o tipo de portador [25]. Para ambos os elétrons ( n ) e buraco ( p ) dopagem, a frequência do pico G sempre aumenta a partir do valor intrínseco, o que significa que um gráfico da posição do pico G com o nível de Fermi é quase simétrico em relação a zero. No entanto, para o pico 2D, enquanto a frequência é deslocada para cima consideravelmente para um aumento moderado em p -nível de dopagem (~ 15 cm ⁻¹ para 3 × 10 ¹³ cm ⁻² ), ele permanece praticamente inalterado de sua posição intrínseca até uma concentração de elétrons de ~ 3 × 10 ¹³ cm ⁻² , acima do qual diminui rapidamente. Isso leva a uma curva altamente assimétrica para a posição do pico 2D com o nível de Fermi próximo de zero. O fato de observarmos mudanças que são semelhantes em magnitude e na mesma direção para os picos G e 2D sugere fortemente que o grafeno é moderadamente p -dopado, onde fica no guia de ondas, em comparação com onde está suspenso. A fim de quantificar esse efeito, usamos as seguintes relações empíricas (Eqs. (1) e (2)) para determinar a mudança de nível de Fermi aproximada das mudanças de pico Raman G e 2D, após [25]:
$$ \ left | {\ mathit {\ mathsf {E}}} _ {\ mathit {\ mathsf {F}}} \ right | \ times \ mathsf {41.5} =\ Delta {\ omega} _ {\ mathit { \ mathsf {G}}} =\ omega \ left (\ mathit {\ mathsf {G}} \ right) - {\ omega} _ {\ mathsf {0}} \ left (\ mathit {\ mathsf {G}} \ right) $$ (1) $$ \ left | {\ mathit {\ mathsf {E}}} _ {\ mathit {\ mathsf {F}}} \ right | \ times \ mathsf {31.5} =\ Delta { \ omega} _ {\ mathsf {2} \ mathit {\ mathsf {D}}} =\ omega \ left (\ mathsf {2} \ mathit {\ mathsf {D}} \ right) - {\ omega} _ { \ mathsf {0}} \ left (\ mathsf {2} \ mathit {\ mathsf {D}} \ right) $$ (2)
onde ω ₀ ( G ) (=1580 cm ⁻¹ [26]) e ω ₀ (2 D ) (=2640 cm ⁻¹ [9]) são as posições de pico G e 2D, respectivamente, para grafeno intrínseco não tenso (para excitação de 633 nm), ω ( G ) e ω (2 D ) são as posições de pico G e 2D que determinamos para cada ponto em nossos mapas e E _F é o nível de Fermi em unidades de eV. Na Fig. 2e, f, mostramos o resultado desses cálculos como mapas de nível de Fermi, derivados dos dados da Fig. 2c, d. Estes são amplamente equivalentes (como esperado), indicando que o grafeno suspenso é intrínseco ( E _F ~ 0), mas que a concentração do orifício é aumentada (produzindo um valor mínimo para E _F de aproximadamente - 0,2 eV), onde o grafeno fica no topo da estrutura do guia de ondas. Uma análise semelhante de um MRR com raio r =20 μm (não mostrado aqui) deu um resultado muito semelhante, indicando que o efeito não é dependente da geometria do guia de ondas, em vez disso, é um efeito de dopagem puramente dependente do material (substrato). A fonte deste doping é quase certamente o resultado de cargas publicitárias estáticas, presas localmente na interface entre o silício / SiO ₂ e grafeno. A densidade dessas cargas publicitárias é conhecida por ser aumentada em amostras que receberam tratamentos de limpeza mais agressivos (como o O ₂ condicionamento de plasma que empregamos) [27]. Embora esse processo forneça uma interface totalmente limpa (relativamente livre de contaminantes), esse dano pode levar a defeitos de casca aberta ricos em oxigênio (tipo de ligação pendente), que são conhecidos por serem armadilhas portadoras de carga eficazes.

Os espectros de espalhamento Raman representativos (do mapeamento) são mostrados na Fig. 3, revelando o deslocamento para cima na frequência de pico G e 2D, onde o grafeno fica na estrutura de guia de onda MRR de silício subjacente.

G (à esquerda) e 2D (à direita) representativos em média ( n =3) Picos de espalhamento Raman (excitação de 633 nm) OFF (topo) e ON (baixo) a estrutura de guia de onda MRR de silício subjacente. As linhas representam ajustes Lorentzian duplos (pico G) ou simples (pico 2D) aos dados. A assimetria no pico G como resultado da redução da degeneração do plano E _2g fônon óptico leva a modos de espalhamento distintos, rotulados G ⁺ e G ^- (de acordo com a convenção usada para nanotubos de carbono)

O pico 2D está bem descrito ( R ² =0,993) por uma única forma de linha lorentziana simétrica, uma assinatura de grafeno de camada única [8]. Notamos que o ajuste para o pico 2D foi apenas marginalmente melhorado usando uma função Voigt, o que sugere apenas uma pequena contribuição para o alargamento do instrumento. Nenhuma mudança mensurável (além do erro padrão) foi observada no FWHM do modo de espalhamento 2D entre os dados do anel ON e OFF, indicando uma insensibilidade deste para a concentração do portador, consistente com as observações anteriores [28].

O pico G, por outro lado, é bastante assimétrico para ambas as condições de anel OFF e ON e, como resultado, não é bem descrito por uma única função simétrica. Em vez disso, descobrimos que é melhor descrito ( R ² > 0,995) por uma forma de linha Lorentziana dupla, indicativa de dois processos de espalhamento distintos. Notamos que a largura do principal (G ⁺ ) o pico diminui em cerca de 25% (\ ({\ Gamma} _ {\ mathrm {OFF}} ^ {+} \) ~ 10 cm ⁻¹ , \ ({\ Gamma} _ {\ mathrm {ON}} ^ {+} \) ~ 7,5 cm ⁻¹ ) indo do grafeno suspenso para onde ele é suportado pela estrutura de guia de ondas MRR. Isso é consistente com o entendimento atual e observações anteriores do "enrijecimento" do grafeno E _2g fônon óptico, como resultado do doping [8]. O segundo modo de dispersão subjacente (G ^- ), responsável pela assimetria, também exibe uma diminuição significativa na largura de ~ 35% (\ ({\ Gamma} _ {\ mathrm {OFF}} ^ {-} \) ~ 20 cm ⁻¹ , \ ({\ Gamma} _ {\ mathrm {ON}} ^ {-} \) ~ 13 cm ⁻¹ ) indo do grafeno suspenso para onde ele é suportado pela estrutura de guia de ondas MRR. A assimetria no pico Raman G do grafeno foi anteriormente atribuída à falta de homogeneidade de carga altamente localizada dentro da área da sonda de laser [28], ou seja, na escala sub-mícron, e também já foi observada ao comparar os espectros Raman de grafeno suspenso com aquele suportado por um substrato [22]. Estudos recentes de grafeno suportado por superfícies nanoestruturadas [29] também revelaram uma estrutura fina multipicos na banda G, que foi interpretada como sendo o resultado de extrema curvatura ou 'enrugamento', semelhante ao que é observado em paredes simples nanotubos de carbono (SWCNTs). Neste caso, o duplamente degenerado no plano E _2g modo óptico pode ser dividido entre fônons ao longo do eixo do nanotubo, \ ({\ omega} _G ^ {+} \), e aqueles que são perpendiculares a ele, \ ({\ omega} _G ^ {-} \), com o grau de divisão, \ (\ Delta {\ omega} _G ={\ omega} _G ^ {+} - {\ omega} _G ^ {-} \), sendo uma função forte do tamanho do nanotubo (ou seja, grau de curvatura) , mesmo na ausência de qualquer tensão aplicada externamente [30]. A divisão do pico G também foi observada no grafeno sob deformação uniaxial [5] e em SWCNTs isolados sob pressão hidrostática [31] onde a menor frequência sensível à curvatura (G ^- ) o próprio modo de dispersão pode ser ampliado e até mesmo dividido quando os nanotubos se dobram e colapsam sob carga de alta pressão. Observamos, ao ajustar os espectros da banda G do grafeno aqui, que tanto a diferença de frequência Δ ω _G e a largura da linha do G ^- mode (\ ({\ Gamma} _ {\ mathrm {OFF}} ^ {-} \)) são maiores para a condição de anel OFF suspenso do que para o caso de anel ON. Na ausência de qualquer evidência (a partir das posições de pico) para uma deformação global líquida, especulamos que isso pode ser o resultado de um enrugamento fora do plano localizado na região suspensa, que é "suavizado" onde o grafeno está suportado pela estrutura de guia de onda MRR submícron subjacente bem definida, o que explicaria o menor Δ ω _G e G ^- mais estreito picos que observamos aqui.

Também examinamos a proporção de intensidades de pico, I _2D / eu _G , que é conhecido por ser dependente da concentração de portadores, sendo máximo para o caso intrínseco e diminuindo continuamente com o aumento (ambos n e p ) nível de dopagem, principalmente por causa de uma extinção do modo 2D com o aumento do espalhamento de fônon-portador [22, 32]. No entanto, embora tenhamos observado uma queda em eu _2D / eu _G , de ~ 3 onde o grafeno foi suspenso para ~ 2,5 na estrutura do guia de ondas, notamos que essa mudança é pequena em relação ao grau de deslocamento do pico G que observamos, quando comparado com outros relatórios [28] para o mesmo comprimento de onda do laser de excitação ( 633 nm). Vale ressaltar, porém, que em [28], há um alto grau de dispersão nos dados para I _2D / eu _G como uma função da posição do pico G, que parece aumentar com o comprimento de onda de excitação, sugerindo que isso por si só pode não ser o indicador mais confiável do nível de dopagem absoluta, especialmente no limite de dopagem baixo.

Análise da razão das intensidades de pico integradas totais, A _G / A _2D , que leva em conta as larguras dos picos, bem como as variações nas alturas dos picos, pode ser usado para obter a concentração de portador diretamente da Eq. (3) [22, 32]:
$$ \ surd \ frac {{\ mathit {\ mathsf {A}}} _ {\ mathit {\ mathsf {G}}}} {{\ mathit {\ mathsf {A}}} _ {\ mathsf {2} \ mathit {\ mathsf {D}}}} =\ mathit {\ mathsf {C}} \ left [{\ gamma} _ {\ mathit {\ mathsf {e}} - \ mathit {\ mathsf {ph}}} + \ left | {\ mathit {\ mathsf {E}}} _ {\ mathit {\ mathsf {F}}} \ right | \ mathit {\ mathsf {f}} \ left (\ frac {{\ mathit {\ mathsf {e}}} ^ {\ mathsf {2}}} {\ varepsilon {\ mathit {\ mathsf {v}}} _ {\ mathit {\ mathsf {f}}}} \ right) \ right] $$ (3)
onde C é uma constante; e é a cobrança eletrônica; γ _e-ph é a taxa média de espalhamento elétron-fônon, previamente determinada em [32] como sendo ~ 33 meV; e ε (~ 3.9) é a constante dielétrica de SiO ₂ [33], que se presume estar presente na interface (como uma camada de óxido nativo) entre o silício e o grafeno. Isso resulta em f (e ² / εν _f ) ~ 0,069 quando ν _f é considerada a velocidade do elétron, 1,17 × 10 ⁸ cm / s. Nossas medições indicam que \ (\ surd \ frac {A_G} {A_ {2D}} \) é maior onde o grafeno fica sobre a estrutura do guia de ondas de silício subjacente em comparação com a região central suspensa, novamente apoiando a hipótese de que os deslocamentos espectrais Raman observados são o resultado de um efeito de dopagem do substrato. A Figura 4 revela o nível de Fermi que determinamos a partir da razão das intensidades integradas dos modos G e 2D do grafeno e da Eq. (3) como uma função da posição ao longo das varreduras de linha espacial feitas no meio da longa seção dos dispositivos MRR integrados com grafeno (para raios de 10 e 20 μm). A mudança de nível de Fermi de pico coincide com onde o grafeno fica na estrutura do guia de ondas de silício subjacente e é de ~ 0,2 eV, de acordo com o que determinamos a partir das mudanças de pico e que previamente determinado para um transistor de efeito de campo de grafeno back-gated [17] . É importante ressaltar que, apesar das diferentes geometrias de dispositivo que estudamos, o que leva a uma região maior de grafeno suspenso ao longo da estrutura MRR de raio de 20 μm em comparação com a estrutura de raio de 10 μm (grafeno suspenso de ~ 54 μm em comparação com ~ 36 μm, respectivamente), o padrão de dopagem espacial local é virtualmente idêntico, conforme revelado pelos ajustes gaussianos na Fig. 4.

Nível de grafeno Fermi determinado (de \ (\ surd \ frac {A_G} {A_ {2D}} \)) como uma função da coordenada espacial ao longo das varreduras de linha para (topo) 10-μm- e (baixo) 20-μm-raio Dispositivos MRR (observe a quebra na parte inferior x -eixo). As áreas e larguras integradas de pico ajustadas (Gaussianas) são mostradas para comparação junto com onde os dados de varredura de linha foram obtidos nos dispositivos

Convertendo o nível de Fermi, determinamos para uma concentração de portador, n por meio da Eq. (4) [33] produz um valor de pico para n ~ 3 × 10 ¹² cm ⁻² na estrutura MRR, que está geralmente de acordo com relatórios anteriores [26]:
$$ \ mathit {\ mathsf {n}} ={\ left (\ frac {{\ mathit {\ mathsf {E}}} _ {\ mathit {\ mathsf {F}}}} {\ hslash {\ nu} _ {\ mathit {\ mathsf {F}}}} \ right)} ^ {\ mathsf {2}} / \ pi $$ (4)
Finalmente, examinamos a correlação entre as posições de pico G e 2D de nossos dados medidos (de três varreduras de linha) em um gráfico de decomposição vetorial, apresentado por Lee et al. [34], Fig. 5.

Gráfico de correlação G-2D mostrando dados para três medições de varredura de linha através do MRR integrado com grafeno. As cruzes vermelhas são pontos onde o grafeno fica NA estrutura do MRR com o ponto roxo representando a média desses valores de coordenadas e as cruzes azuis onde o grafeno está suspenso no MRR (fora da estrutura subjacente). O ponto vermelho é o valor da coordenada intrínseca não forçada para o grafeno com excitação a laser de 633 nm, que define a origem. A linha tracejada indica a ausência de tensão ( p -dopagem) vetor com ∆ω _2D / ∆ω _G ~ 0,7, e a linha sólida denota o vetor livre de dopagem (cepa) com ∆ω _2D / ∆ω _G ~ 2.2, após [34]

Representar os dados neste tipo de gráfico nos permite determinar em que grau as mudanças de pico podem ser influenciadas pela deformação. Isso é baseado no fato de que as taxas de variação nas relações de posição de pico para deformação (∆ ω _{2 D} / ∆ ω _G ~ 2.2) são muito diferentes para aqueles associados ao doping (∆ ω _{2 D} / ∆ ω _G ~ 0,7) [34]. Qualquer ponto de coordenada no espaço G-2D pode, portanto, ser decomposto em deformação e, especificamente, p -tipo vetores de dopagem. Com o aumento da tensão de tração ou p -doping, o ω _G , ω _{2 D} os valores das coordenadas se moverão da origem (posição intrínseca, não tensionada), seja ao longo da linha livre de dopagem (deformação) ou livre de deformação ( p -dopagem) linhas, respectivamente. O espaço de coordenadas G-2D é dividido em quatro quadrantes, Q1-Q4 por esses vetores de deformação e dopagem e, portanto, qualquer desvio significativo dos dados de coordenadas dessas linhas, digamos na região Q1 (Q4), indicaria que os deslocamentos de pico são o resultado de uma combinação de deformação compressiva (tração) e p -doping. A dispersão de dados no 2º e 3º trimestre é proibida porque ambos n- e p -dopagem se manifesta apenas em aumentos na posição G pico.

Nós definimos a coordenada de frequência de pico de grafeno intrínseca não forçada como a origem (ponto vermelho) [9, 26] e indicamos a livre de tensão ( p -dopagem) vetor (linha tracejada) e vetor livre de dopagem (linhagem) (linha sólida), após [31]. Os dados para três varreduras de linha diferentes estão espalhados ao redor da origem para o anel OFF e ao longo do livre de deformação ( p -dopagem) vetor para o anel ON com o valor médio da coordenada do anel ON (ponto roxo) sendo (1584,9, 2642,4). O aumento da dispersão para os dados do anel ON ao longo da linha livre de deformação indica uma gama maior de níveis de dopagem detectados a partir das mudanças de pico relativas, provavelmente por causa da incerteza na sondagem de um efeito de dopagem de substrato altamente localizado produzido pelo submícron subjacente largura do guia de onda, em comparação com o tamanho do ponto do laser da sonda (> 1 μm). Apesar da aparente dispersão nos dados, em Q4 e Q1, descontamos qualquer efeito de deformação global significativo porque a coordenada média do anel ON está muito próxima da linha livre de deformação. Sugerimos que os desvios de pico que observamos são apenas devido ao dopagem de buraco induzido pelo substrato de silício e a coordenada G-2D do anel ON médio confirma que isso está na faixa de (2 a 3) × 10 ¹² cm ⁻² .

Conclusões

Em resumo, o grafeno CVD monocamada foi integrado com dispositivos fotônicos MRR baseados em guia de onda de silício. Mudanças de frequência e intensidades integradas dos picos Raman G e 2D de grafeno característico foram determinados para regiões mapeadas, e indicam um nível de Fermi 'pinning' onde o grafeno fica na estrutura Si MRR como resultado de dopagem não intencional do silício subjacente / SiO ₂ guia de ondas (efeito de dopagem do substrato). Os dados para a região suspensa não revelam nenhuma distinção mensurável do grafeno intrínseco, mas para a região suportada, um deslocamento máximo para baixo do nível de Fermi de ~ 0,2 eV é determinado, o que corresponde a uma concentração de pico de orifício de ~ 3 × 10 ¹² cm ⁻² . Uma assimetria no pico Raman G, que varia de acordo com se o grafeno está suspenso ou suportado, indica uma combinação de "endurecimento" induzido por dopagem e levantamento da degenerescência do E _2g modo óptico. Esses efeitos devem ser levados em consideração quando o grafeno é combinado com plataformas fotônicas de silício, certamente ao tentar usar tais plataformas para determinar as propriedades características do grafeno e para a otimização de futuros dispositivos fotônicos de silício integrados com grafeno, como moduladores ópticos e sensores.

Abreviações

CCD:

Carregar dispositivo acoplado

CEA-LETI:

Comissariat à l’energie et aux energies extensions – Laboratoire d'électronique des technologies de l’information

CMOS:

Semicondutor de óxido de metal complementar

CVD:

Deposição de vapor químico

DR:

Duplamente ressonante

FWHM:

Largura total pela metade no máximo

MRR:

Ressonador de micro-anel

NMP:

N-Metil-2-pirrolidona

Si:

Silício

SiO ₂ :

Dióxido de silício

SWCNT:

Nanotubo de carbono de parede simples

Estudo Numérico de um Absorvedor Solar Eficiente Composto por Nanopartículas de Metal Fotorresponsividade dependente de polarização de fototransistores MoS2 multicamadas