A Fabricação de Nanomeshes de Grafeno Uniformes e Grandes para Detecção de Terahertz Direta em Alta Velocidade e Temperatura Ambiente

Resumo

Nos últimos anos, a nanomesh de grafeno (GNM), um material com alta flexibilidade e propriedades eletrônicas ajustáveis, tem atraído considerável atenção dos pesquisadores devido às suas amplas aplicações nas áreas de nanociência e nanotecnologia. Aqui, processamos matrizes uniformes de grande área de nanomesh de grafeno retangular (r-GNM) e nanomesh de grafeno circular (c-GNM) com diferentes larguras de pescoço por litografia de feixe de elétrons (EBL). As propriedades eletrônicas dessas amostras de GNM de alta qualidade foram caracterizadas sistematicamente. As medições elétricas ilustraram que os transistores de efeito de campo com portas de topo com diferentes larguras de pescoço do GNM possuíam diferentes I _em / eu _desligado índices. Em particular, os dispositivos baseados em r-GNM com largura de pescoço de 30 nm apresentaram o maior I _em / eu _desligado razão de ~ 100, e a lacuna de banda do r-GNM foi estimada em 0,23 eV, que, pelo melhor do conhecimento dos autores, é o valor mais alto para fitas de grafeno ou GNM com largura de pescoço abaixo de 30 nm. Além disso, a resposta em terahertz de dispositivos r-GNM de área grande com base no efeito fotocondutor foi estimada em 10 mA / W à temperatura ambiente. Também exploramos a aplicação prática da imagem terahertz, mostrando que os dispositivos podem ser usados ​​em um ambiente viável com um tempo de resposta <20 ms; isso permite imagens precisas e rápidas de amostras macroscópicas.

Histórico

Grafeno, uma única camada de um sp ² -filme de carbono hibridizado, tem chamado grande atenção nos últimos anos, pois possui propriedades optoeletrônicas únicas, como alta mobilidade de portadora, zero gap de banda e absorção independente de frequência. Essas propriedades facilitam suas aplicações potenciais no campo da nanoeletrônica, nanocompósitos, sensores químicos, biossensores e fotodetectores [1,2,3,4,5,6]. No entanto, o gap de energia zero do grafeno limita suas aplicações em dispositivos eletrônicos e fotônicos. Consequentemente, é altamente desejável abrir a lacuna de energia do grafeno e, por sua vez, melhorar o I _em / eu _desligado proporção [7]. É universalmente reconhecido que o gap do grafeno pode ser ajustado por vários métodos, incluindo a aplicação de um campo elétrico (ou magnético) ao grafeno de duas camadas [8, 9], dopagem química [10], aplicação de deformação [11], e remodelagem da nanoestrutura do grafeno [12,13,14]. Por exemplo, em 2017, Cheng et al. introduziu o grafeno quimicamente regulativo com heteroátomos incorporados na estrutura do favo de mel e demonstrou nanofolhas adaptadas à microestrutura (por exemplo, pontos quânticos 0D, nanofitas 1D e nanomashes 2D), que aumentaram o intervalo de banda e induziram propriedades químicas e físicas especiais do grafeno, apresentando ainda aplicações promissoras em atuadores e geradores de energia [15]. No entanto, entre todos os métodos que ajustam o band gap do grafeno, remodelar a nanoestrutura do grafeno é atualmente a forma mais conveniente [16], pois minimiza as propriedades eletrônicas inerentes do grafeno [17]. As propriedades do grafeno são remodeladas quando ele é dimensionado para nanoestruturas, como nanofibra de grafeno (GNR) [18,19,20], nanoração de grafeno e nanomesh de grafeno [21,22,23,24]. Sun et al. propôs um método simples para abrir uma lacuna de banda comparável no grafeno, estreitando-o em um GNR e empregou-o em FETs, alcançando grande I _em / eu _desligado proporções de ~ 47 e ~ 105 em temperatura ambiente e 5,4 K, respectivamente [12]. No entanto, a fabricação de GNRs longos e estreitos é difícil, o que será um obstáculo na aplicação de dispositivos nanoeletrônicos. Nanomesh de grafeno (GNM), uma nanoestrutura mais simples de fabricar, pode abrir uma lacuna de banda em grandes folhas de grafeno, e os FETs baseados em GNMs podem suportar correntes quase 100 vezes maiores do que dispositivos GNR individuais [25]. Em 2017, Yang et al. utilizou uma sílica mesoporosa (meso-SiO ₂ ) modelo para a preparação de GNM FETs com razões liga / desliga melhoradas, construindo biossensores altamente sensíveis para detecção seletiva do receptor de fator de crescimento epidérmico humano 2. Isso provou ainda que é um método eficaz para adaptar o grafeno no GNM para abrir a banda lacuna [26]. Em geral, GNMs podem ser fabricados por litografia de nanoimpressão, tecnologia de litografia assistida por modelo e crescimento auto-organizado [27]. O grupo de Haghiri relatou a fabricação de uma grande superfície GNM aplicada à detecção de DNA livre de marcadores por litografia de nanoimpressão [22]. No entanto, a largura do pescoço do GNM era muito grande (~ 260 nm) para abrir a lacuna de energia. Zang et al. demonstrou um novo método assistido por modelo para preparar GNM usando uma membrana de óxido de alumínio anódico como uma máscara de padrão com a ajuda de O ₂ gravação de plasma [28]. A maioria dos GNMs é preparada pela pré-fabricação de um molde nanoestruturado ou nanopartículas como uma máscara protetora para remodelar a camada de grafeno. No entanto, a síntese da nanomask é relativamente complexa, e a largura do pescoço do GNM é difícil de controlar para realizar a fabricação de matrizes uniformes em grande escala.

Aqui, matrizes uniformes em grande escala de nanomashes de grafeno retangulares (r-GNMs) e nanomashes de grafeno circulares (c-GNMs) com diferentes larguras de pescoço foram padronizadas com sucesso por litografia de feixe de elétrons (EBL). Além disso, detectores terahertz baseados em GNM com base no efeito fotocondutor do grafeno foram fabricados. As medições elétricas foram realizadas à temperatura ambiente para obter mais informações sobre o efeito da largura do pescoço em nossos GNMs sobre o desempenho dos detectores, o que ilustrou que os dispositivos com diferentes larguras de pescoço do GNM possuíam I diferentes _em / eu _desligado proporções e lacunas de banda. Foi notado que a corrente de dispositivos baseados em c-GNM era maior do que a de dispositivos baseados em r-GNM enquanto o I _em / eu _desligado a proporção atual era menor; isso pode ser atribuído a mais rugosidade da aresta em r-GNM. Posteriormente, as fotocorrentes terahertz de dispositivos r-GNM com diferentes tamanhos também foram medidas, demonstrando o efeito fotocondutor dessa nova estrutura. Finalmente, foi demonstrada a aplicação da imagem terahertz baseada nos dispositivos r-GNM usando um sistema de imagem bifocal.

Seção Experimental

Fabricação de detectores

O grafeno de camada única de grande área foi cultivado por deposição de vapor químico em um substrato de cobre. Em seguida, foi transferido para p fortemente dopado -tipo de substratos de Si com um SiO de 285 nm ₂ camada usando técnicas de transferência úmida assistida por polimetilmetacrilato (PMMA) [29]. Eletrodos de fonte e dreno (Au de 50 nm de espessura) foram depositados sobre o grafeno através da evaporação do feixe de elétrons seguido por uma técnica padrão de remoção de metal. A distância de separação entre os dois eletrodos foi de 14 μm. Na segunda etapa, utilizamos a tecnologia EBL para fabricar dois tipos de grafeno nanomesh:r-GNM e c-GNM. A rota de fabricação de EBL de r-GNM e c-GNM é ilustrada na Fig. 1. Após a transferência de grafeno para o substrato, a resistência de feixe de elétrons positiva, PMMA, foi então girada sobre a amostra de grafeno e padronizada para formar uma corrosão mascarar. A forma e o tamanho desejados podem ser determinados pela máscara. Em seguida, o grafeno exposto ao ar foi removido por ataque ácido usando plasma de oxigênio a 5 Pa e 100 W por 5 s. Em seguida, uma solução de isopropanol em metil isobutil cetona (3:1) foi utilizada para remover o PMMA, seguido pela deposição de nitreto de silício (Si ₃ N ₄ ) dielétricos de porta por deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD). Finalmente, o eletrodo de porta foi depositado sobre o Si ₃ N ₄ através de um método de evaporação por feixe de elétrons.

Ilustração do processo de fabricação de um GNM pela EBL

Análise de amostra

A morfologia e a estrutura do r-GNM e c-GNM sintetizados foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (Hitachi, S-4800). As propriedades elétricas dos detectores foram caracterizadas por um analisador de parâmetros semicondutores (Agilent, 4294A) em temperatura ambiente, enquanto as características ópticas dos dispositivos foram testadas pelo sistema de medição óptica caseiro.

Resultados e discussão

Uma ilustração esquemática dos detectores terahertz fabricados com base em c-GNMs está representada na Fig. 2a. Os eletrodos de fonte e dreno foram depositados no SiO ₂ / Si substrato com o grafeno de camada única que foi cortado do c-GNM. A estrutura geométrica típica do c-GNM é mostrada na Fig. 2b. Os GNMs contínuos de grande área com comprimentos de 20 μm e larguras de 60 μm foram usados ​​como o canal. Como o grafeno é uma única camada de estrutura atômica, a fim de reduzir os danos na produção da camada de óxido, escolhemos o nitreto de silício (Si ₃ N ₄ ) processo PECVD de baixa temperatura para fazer a camada dielétrica. Uma vantagem adicional dos isoladores de nitreto de silício sobre o óxido de silício para dispositivos de grafeno é sua maior frequência de fônon óptico polar de superfície ∼ 110 versus ∼ 56 meV para óxido de silício, o que deve diminuir a importância do espalhamento inelástico de fônon remoto no canal de grafeno [30]. Para investigar melhor os dispositivos com diferentes nanoestruturas, os detectores de terahertz baseados em r-GNR também foram preparados, e a ilustração esquemática é dada na Fig. 2c. “ W ”Na Fig. 2b, d são os valores da largura do pescoço, definidos como a distância mínima entre os nanoholes mais adjacentes, que é o parâmetro mais crítico no GNM.

a Ilustração esquemática dos detectores terahertz fabricados com base em c-GNM. b O esquema estrutural de c-GNM, onde W é a largura do pescoço. c Ilustração esquemática dos detectores terahertz fabricados com base em r-GNM. d O esquema estrutural de r-GNM

As medições elétricas foram realizadas à temperatura ambiente para obter mais informações sobre o efeito da largura do pescoço em nosso GNM no desempenho dos detectores. Aqui, quatro matrizes r-GNM e c-GNM com larguras de pescoço de 30, 40, 50 e 60 nm, respectivamente, foram padronizadas por EBL. A Figura 3a apresenta as imagens SEM de r-GNMs com várias larguras de gargalo. A Figura 3b ilustra os c-GNMs com várias larguras de gargalo. Neste trabalho, a largura do pescoço do GNM é consistente com o design do layout, controlando o tempo de corrosão e o poder de corrosão. Durante a focalização das fotos SEM, o elétron de varredura tem um certo efeito sobre o grafeno, o que leva à diferença na cor da imagem SEM do grafeno, mas a morfologia da malha e o tamanho da nanomesh de grafeno não serão afetados. Como essas imagens mostram claramente, as matrizes c-GNM e r-GNM podem ser fabricadas uniformemente em grande escala usando EBL.

a Imagens SEM de c-GNMs com larguras de pescoço de (i) 60, (ii) 40, (iii) 50 e (iv) 30 nm. b Imagens SEM de r-GNMs com larguras de pescoço de (i) 60, (ii) 40, (iii) 50 e (iv) 30 nm

Para investigar as propriedades eletrônicas do GNM, foram fabricados dispositivos FET baseados nos GNMs com larguras de pescoço de 30, 40, 50 e 60 nm, respectivamente. Até certo ponto, o GNM poderia ser considerado uma rede altamente interconectada de GNRs, e tanto o trabalho teórico quanto o experimental mostraram que o tamanho da lacuna da banda de condução é inversamente proporcional à largura da fita. Ou seja, uma largura de pescoço mais estreita ganhará energia de gap suficiente para uma resposta de porta suficiente e uma razão liga-desliga, e uma estrutura de malha mais densa pode permitir uma entrega de corrente mais alta [25].

A Figura 4a mostra as características de transferência em V _ds =2 V para os dispositivos baseados em c-GNMs com diferentes larguras de pescoço de 30, 40, 50 e 60 nm, a partir dos quais podemos determinar o I correspondente _em / eu _desligado proporções de ~ 40, ~ 25, ~ 5 e ~ 4, respectivamente. As características de transferência para os dispositivos baseados em r-GNMs com diferentes larguras de pescoço de 30, 40, 50 e 60 nm são apresentadas na Fig. 4b. Comparando as Fig. 4a, b, podemos ver que a corrente de condução dos c-GNMs é muito maior do que a dos r-GNMs (cerca de duas vezes). Como resultado do GNM pode ser visto como uma estrutura de rede interconectada de grafeno, a área real de c-GNM entregando corrente é maior do que r-GNM, isso leva à corrente de c-GNM maior do que r-GNM sob o mesmas condições. Além disso, o I _em / eu _desligado as razões de r-GNMs com diferentes larguras de pescoço de 30, 40, 50 e 60 nm obtidas foram ~ 100, ~ 25, ~ 8 e ~ 3, respectivamente, indicando que o I _em / eu _desligado A proporção dos dispositivos baseados em GNM pode ser prontamente ajustada variando a largura do pescoço, que desempenha um papel importante nas propriedades de transporte de carga. Foi observado que os dispositivos baseados em GNM nesta carta possuíam maior I _em / eu _desligado proporções do que muitos outros dispositivos baseados em GNR com larguras menores [17]. Uma vez que o GNM pode ser considerado uma rede interconectada de GNRs, a geração do gap também se deve a múltiplos fatores, incluindo confinamento quântico lateral [31] na direção de transmissão e um bloqueio de Coulomb [32] resultante do defeito de borda ou rugosidade [33]. Tão grande eu _em / eu _desligado a relação de corrente pode resultar do efeito de canal longo:as estruturas de rede dos GNMs aumentaram o canal de condução do dispositivo, o limite dos nanoholes internos aumentou o confinamento quântico [34] e os efeitos de localização foram causados ​​por defeitos de borda, como borda desordem [35] e / ou espécies absorvidas no carbono pendente π -ligações nos nanoholes internos [36, 37]. O limite interno dos r-GNMs é muito maior do que o dos c-GNMs devido às diferentes geometrias. Além disso, a borda circular do c-GNM possui mais defeitos, tornando o confinamento quântico lateral mais marcante para aumentar o gap. Isso também pode explicar porque o eu _em / eu _desligado a proporção atual dos r-GNMs é maior do que a do c-GNM. Da Fig. 4a, b, é determinado que os dispositivos baseados em r-GNM e c-GNM exibiram uma condutância clara com um valor mínimo correspondente ao ponto de Dirac em aproximadamente - 5 V. A tensão de limiar é obtida usando a tensão no tempo de condução menos a tensão do ponto neutro. Na Fig. 4a, b, podemos ver que a tensão limite do dispositivo é de cerca de 15 V para c-GNM e r-GMN de 30 nm. A condutividade homóloga obtida é exibida na Fig. 4c. Os eletrodos do aparelho são feitos diretamente no grafeno original. Apenas o grafeno entre os canais é transformado em nanomesh, e a resistência de contato entre o eletrodo de metal e a parte inferior do grafeno semimetal puro é relativamente pequena. A resistência do canal é principalmente a resistência da nanomesh de grafeno. Devido a uma razão de trabalho de área maior na mesma área do canal condutor, as condutividades dos dispositivos baseados em c-GNM foram consideradas maiores do que aquelas dos dispositivos baseados em r-GNM. Comparado com GNRs [38] ou outros GNMs [39] que foram relatados antes, nossas amostras c-GNM e r-GNM podem fornecer uma corrente maior devido à sua grande área e tamanho uniforme.

Características de transferência ( I _ds - V _g ) dos dispositivos com base em a c-GNM e b r-GNM com larguras diferentes em V _ds =2 V. O V _Th (o valor da tensão de condução menos o valor da tensão do ponto neutro) do dispositivo de 30 nm é cerca de 15 V. c Condutividade versus largura do pescoço para r-GNM (preto) e c-GNM (vermelho)

A Figura 5a mostra o diagrama esquemático da banda de energia para GNRs com eletrodos de fonte e dreno. Os níveis de fonte e dreno se aproximam das bordas da banda de condução e valência, respectivamente, com um aumento na tensão fonte-dreno ( V _DS ) Quando a borda da banda de condução (valência) cai na janela de polarização entre os eletrodos de fonte e dreno, elétrons (orifícios) são injetados da fonte (dreno), e a corrente I aumenta acentuadamente. A tensão da porta ajusta a posição do gap em relação aos níveis de drenagem da fonte. Curvas de I _DS versus V _DS em um V _GS polarização perto da tensão neutra de carga para r-GNMs e c-GNMs com larguras de pescoço de 30 e 40 nm são ilustrados na Fig. 5b, c, que mostram claramente as regiões de "ligar" e "desligar", dependendo de a localização do nível Fermi. Com um aumento na largura do pescoço do GNM, o tamanho da janela de baixa condutância diminuiu. Para os r-GNMs com larguras de 30 e 40 nm, os gaps de energia foram estimados em 0,23 e 0,17 eV, respectivamente (Fig. 5b). A Figura 5c ilustra o gap de energia de 0,19 e 0,16 eV para o c-GNM com larguras de 30 e 40 nm, respectivamente. Esses valores sugerem que o band gap era inversamente proporcional às larguras do gargalo dos canais GNM, e a existência de mais defeitos de borda no r-GNM pode melhorar o band gap [23].

a Diagrama esquemático da banda de energia para um GNR com eletrodos de fonte e dreno. Curvas de I _DS versus V _DS em um V _GS polarização perto da tensão neutra de carga para b r-GNM e c c-GNM

Além disso, as propriedades optoeletrônicas dos dispositivos r-GNM foram investigadas pelo sistema óptico apresentado na Fig. 6a para realizar testes de fotocorrente para o r-GNM. No sistema, uma fonte de corpo negro com um filtro passa-banda de 3-THz foi usada para gerar a radiação terahertz, e medimos o a.c. amplitudes de fotocorrente que foram obtidas usando um amplificador lock-in referenciado à frequência de corte. As amplitudes da fotocorrente foram consideradas quase zero sem a aplicação de uma tensão de polarização fonte-dreno. Devido ao contato direto do eletrodo metálico e do grafeno, a fotocorrente dos fototransportadores gerada pela radiação era relativamente fraca e neutralizada entre si, resultando em uma fotocorrente externa quase nula.

a Diagrama esquemático da configuração experimental do teste terahertz. b Curvas de fotocorrente I _Ph versus largura do pescoço de r-GNMs

Além disso, os pares elétron-buraco gerados no GNM normalmente se recombinariam em tempo extremamente reduzido, não tendo contribuição para a fotocorrente. Portanto, a fotocorrente de detecção existia com uma tensão externa para separar os pares elétron-buraco fotogerados antes de se recombinarem. Na investigação relatada aqui, uma tensão fonte-dreno de 0,2 V foi aplicada, e fotocorrentes de 0,28, 0,32, 0,4 e 0,93 nA foram obtidas sob radiação de 3 THz, como mostrado na Fig. 6b, correspondendo a diferentes dispositivos r-GNM com larguras de pescoço de 30, 40, 50 e 60 nm, respectivamente. Notavelmente, a fotocorrente aumentou acentuadamente para 0,93 de 0,4 nA. Conforme relatado anteriormente, a taxa de absorção do grafeno na luz visível é de aproximadamente 2,3%, o que pode ser considerado o efeito termoelétrico [40]. Enquanto sob irradiação de ondas eletromagnéticas com energia abaixo do IR, o aquecimento térmico do grafeno causado pela absorção do laser diminuiu a condutividade do grafeno, o que contribuiu para a razão pela qual os efeitos térmicos foram excluídos como a causa do aumento da fotocorrente do grafeno quando iluminado . Os efeitos fotocondutores significam que quando a energia do fóton incidente coincide com a lacuna de energia dos GNMs, a lacuna de energia pode induzir separação aprimorada de excitons induzidos por fótons e maior eficiência de extração de portadores, de modo que o valor da fotocorrente aumenta acentuadamente na largura do pescoço de 60 nm.

Um detector de células Golay (TYDEX GC-1P) foi empregado para calibrar a energia da fonte de luz para obter a responsividade terahertz de nossos dispositivos baseados em GNM. A responsividade dos dispositivos r-GNM com largura de pescoço de 60 nm foi de 12 mA / W em temperatura ambiente.

Além disso, o teste de imagem da amostra-chave foi realizado com sucesso, colocando a amostra em um sistema simples de imagem de foco duplo. Devido ao limite máximo de movimento (25 mm × 25 mm) do sistema de nanoposicionamento, a imagem terahertz de uma parte foi obtida, conforme ilustrado na Fig. 7, mostrando claramente o perfil da amostra chave. Além disso, a imagem terahertz da amostra chave foi finalizada com a varredura contínua de 50 × 50 pontos com um tempo total de aproximadamente 75 s, em que o tempo de resposta para uma única detecção é inferior a 20 ms. Este trabalho demonstra que nosso dispositivo r-GNM pode ser usado como um detector de terahertz para imagens precisas e rápidas de amostras macroscópicas.

Comparação de uma chave de metal entre a a imagem ótica e b a imagem terahertz

Conclusões

Em conclusão, FETs com portas superiores empregando matrizes de grande área de r-GNM e c-GNM ordenados com diferentes larguras de pescoço foram processados ​​com sucesso por EBL. Os FETs com portas superiores foram fabricados com GNM contínuo como canal condutor. À temperatura ambiente, foram realizadas as medições elétricas, que ilustraram que os dispositivos com diferentes larguras de gargalo do GNM possuíam diferentes I _em / eu _desligado relações e lacunas de energia. Especialmente, os dispositivos baseados em r-GNM com largura de pescoço de 30 nm foram encontrados para possuir o maior I _em / eu _desligado razão, ~ 100, e a lacuna de energia foi estimada em 0,23 eV. Embora a atualidade dos dispositivos baseados em c-GNM fosse maior do que a dos dispositivos baseados em r-GNM, o I _em / eu _desligado a relação da corrente foi menor, o que pode ser devido à maior rugosidade da aresta no r-GNM. Além disso, com base no efeito fotocondutor, a resposta em terahertz do dispositivo baseado em r-GNM foi medida em 10 mA / W. Para aplicações práticas dos dispositivos, um experimento de imagem terahertz foi realizado em temperatura ambiente. Verificou-se que tais dispositivos podem ser aplicados em imagens precisas e rápidas de amostras macroscópicas.

Abreviações

c-GNM:

Nanomesh de grafeno circular

EBL:

Litografia de feixe de elétrons

FETs:

Transistores de efeito de campo

GNM:

Nanomesh de grafeno

GNR:

Nanoribão de grafeno

MIBK:

Metil isobutil cetona

PECVD:

Deposição de vapor químico intensificada por plasma

PMMA:

Metacrilato de polimetila

r-GNM:

Nanomesh de grafeno retangular

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