Modulador Terahertz totalmente óptico de alto desempenho baseado em heterojunções de tricamada de grafeno / TiO2 / Si

Resumo

Neste artigo, demonstramos um modulador híbrido terahertz (THz) de três camadas feito pela combinação de um substrato de silício tipo p (p-Si), TiO ₂ intercamada e grafeno de camada única. A interface entre Si e TiO ₂ introduziu um campo elétrico embutido, que levou os fotoelétrons de Si para TiO ₂ , e então os elétrons são injetados na camada de grafeno, fazendo com que o nível de grafeno de Fermi mude para uma banda de condução mais alta. A condutividade do grafeno aumentaria, resultando na diminuição da onda terahertz transmitida. E a modulação de transmissão terahertz foi realizada. Observamos uma modulação de banda larga da transmissão terahertz na faixa de frequência de 0,3 a 1,7 THz e uma grande profundidade de modulação de 88% com excitação óptica adequada. Os resultados mostram que o grafeno / TiO ₂ As nanoestruturas híbridas / p-Si exibem grande potencial para aplicações de banda larga em terahertz, como imagem e comunicação em terahertz.

Introdução

A tecnologia de imagem Terahertz (THz) [1] e a tecnologia de comunicação terahertz [2, 3] são duas grandes direções de pesquisa no campo de THz. E os moduladores THz são os componentes básicos das tecnologias, que podem modular a transmissão e refletividade das ondas THz pela modulação de sinais (luz, eletricidade, calor, etc.) [4]. Muitas pesquisas foram feitas em moduladores THz [5, 6], principalmente com foco em materiais. Materiais semicondutores, como Si e Ge, têm sido usados para moduladores THz. Mas o desempenho da modulação não é ideal e a profundidade da modulação não é alta, então muitos novos materiais foram propostos [7,8,9]. Um novo material representativo é o metamaterial. Moduladores THz de alta velocidade podem ser realizados combinando metamateriais com semicondutores. Porém, a largura de banda dos moduladores baseados no metamaterial ainda é muito estreita devido à estrutura fixa e o processo de fabricação é complicado [10, 11]. Outro material típico é um material de mudança de fase, como VO ₂ . A uma certa temperatura ou voltagem, o VO ₂ pode sofrer uma mudança de fase reversível entre os estados isolante e metálico, e as propriedades eletromagnéticas mudam de acordo. O estado metálico pode causar uma atenuação da onda THz. Mas a onda THz pode facilmente penetrar no estado de isolamento de VO ₂ . Portanto, a transmissão THz pode ser modulada pela aplicação de excitação externa para fazer a mudança de fase de VO ₂ . Porém, tais moduladores [12,13,14,15] são baseados na mudança de temperatura, e possuem uma queda de temperatura mais lenta, portanto a velocidade de modulação é lenta.

Nos últimos anos, o grafeno tem sido gradualmente aplicado à tecnologia THz devido às suas excelentes propriedades eletrônicas, ópticas e mecânicas [16,17,18,19]. Lee et al. fabricou um modulador THz eletricamente controlado integrando grafeno com metamateriais [20]. Quando as propriedades elétricas e ópticas do grafeno foram aprimoradas pela forte ressonância dos átomos de metal, a interação luz-matéria é aprimorada, realizando a modulação da amplitude da transmissão da onda terahertz em 47% e a modulação de fase em 32,2%. Em 2012, Sensale et al. preparou um transistor de efeito de campo baseado em grafeno (GFET) modulador de onda THz, enquanto a tensão da porta ajustava a concentração de portadora em grafeno [21]. No entanto, a profundidade de modulação deste tipo de modulador [22,23,24] era baixa por causa da injeção de portadora limitada. O modulador THz de grafeno / n-Si preparado por Weis et al. tem uma profundidade de modulação de até 99% sob a excitação do laser de pulso de femtossegundo de 808 nm [25]. Posteriormente, o modulador THz de grafeno / n-Si feito por Li et al. alcançou uma profundidade de modulação de 83% com excitações elétricas e ópticas simultâneas. Porém, quando nenhum campo elétrico foi aplicado, apenas a luz foi adicionada, e o efeito de modulação não foi muito bom [26]. Como um material semicondutor de baixo custo, não tóxico e quimicamente estável, o dióxido de titânio (TiO ₂ ) tem atraído grande atenção no campo da energia e do meio ambiente. Ele não é usado apenas para a degradação fotocatalítica de poluentes ambientais, mas também é amplamente utilizado em células solares. Recentemente, Tao et al. preparou MoS ₂ filme sobre TiO ₂ superfície [27]. A interface introduziu um forte campo elétrico embutido, que aumentou a separação dos pares elétron-buraco, levando à melhoria de suas propriedades fotocatalíticas. Em 2017, Cao et al. fez uma perovskita / TiO ₂ de alto desempenho Fotodetectores / Si [28]. Eles atribuíram a melhoria no desempenho ao aumento da separação e à redução da recombinação de portadores fotoexcitados na interface entre Si e perovskita pela inserção de TiO ₂ filme. Aqui, um grafeno / TiO ₂ O modulador THz totalmente óptico nanoestruturado / p-Si foi fabricado. O dispositivo que projetamos tem uma grande profundidade de modulação de no máximo 88% na faixa de frequência de 0,3 a 1,7 THz.

Métodos

O Si de 500 μm de espessura (tipo p, resistividade ρ ~ 1-10 Ω cm) substratos foram lavados sequencialmente com acetona, etanol e água desionizada por 20 min em um banho ultrassônico e, em seguida, imersos em solução de HF 4,6 M por 10 min para remover a camada de óxido nativo na superfície. Em seguida, o Si limpo foi imerso em 0,1 M TiCl ₄ solução aquosa a 343 K por 1 h para obter TiO ₂ de 10 nm de espessura filme. O grafeno monocamada foi cultivado em cobre por deposição química de vapor [29]. E então, o grafeno foi transferido para TiO ₂ filme usando um método de corrosão úmida [30] para formar grafeno / TiO ₂ Heteroestrutura / p-Si. Toda a área da amostra é de 1 cm ² . A qualidade do grafeno foi caracterizada por espectroscopia Raman. Os espectros de absorção foram medidos por um espectrofotômetro de UV-visível (Shimadzu, UV-3600). As medidas de espectroscopia de fotoemissão ultravioleta (UPS) (Thermo Scientific, Escalab 250Xi) foram realizadas para obter a estrutura da banda de energia. A modulação estática foi avaliada pelo sistema de domínio de tempo Fico THz (Zomega Terahertz Corporation).

Resultados e discussão

A estrutura de um grafeno totalmente óptico / TiO ₂ O modulador THz / p-Si está representado esquematicamente na Fig. 1a. A onda THz e o laser incidiram simultaneamente do lado do grafeno. O laser semicondutor em um comprimento de onda de 808 nm, diâmetro de ponto de ~ 5 mm e potência de 0 a 1400 mW foi aplicado como sinal de modulação. O feixe THz (~ 3 mm) pode ser sobreposto pelo feixe de laser. E as ondas THz transmitidas foram medidas por um sistema THz-TDS em diferentes potências de laser. Como o desempenho dos moduladores de grafeno é relevante para a qualidade do grafeno, avaliamos a qualidade do grafeno transferido em Si e TiO ₂ / p-Si substratos por espectroscopia Raman com um laser de comprimento de onda de 514 nm, como mostrado na Fig. 1b. É óbvio que o pico G e pico 2D do grafeno em p-Si estão em ~ 1580 cm ⁻¹ e 2681 cm ⁻¹ , respectivamente. Para o grafeno no TiO ₂ / p-Si, o pico G está posicionado em ~ 1575 cm ⁻¹ e o pico 2D está posicionado em ~ 2667 cm ⁻¹ . Comparado com o espectro Raman do grafeno no silício, os picos G e 2D do grafeno no TiO ₂ / p-Si desloca para a esquerda devido ao estresse no grafeno causado pela inserção de TiO ₂ . Além disso, os picos D são fracos para o grafeno em Si e TiO ₂ / p-Si. Os picos 2D se ajustam a um único Lorentzian e têm mais de duas vezes a altura dos picos G para ambos. Os resultados de Raman indicam que o grafeno transferido em Si e TiO ₂ / p-Si é grafeno monocamada com alta qualidade [31].

Desenho experimental e espectros Raman do grafeno. a Esquema do modulador THz totalmente óptico. O modulador é composto de um grafeno de camada única em um substrato de p-Si com TiO ₂ filme. b Espectros Raman do grafeno no Si e TiO ₂ / p-Si substratos

A Figura 2a-c mostra a transmitância da onda THz do Si, grafeno / Si e grafeno / TiO ₂ / Si em potência de laser diferente, respectivamente, que é medida pelo sistema de domínio de tempo Fico THz. Sem fotoexcitação, Si, grafeno / Si e grafeno / TiO ₂ / p-Si mostram uma transmissão moderada de ~ 55% da onda THz devido à absorção parcial e reflexão dos portadores, uma vez que o Si é dopado com p. E as transmitâncias sem fotoexcitação não têm diferença notável para todas elas, indicando o TiO ₂ e o grafeno não atenua a onda THz quando não há fotoexcitação. Portanto, nenhuma perda de inserção adicional é causada pelo TiO ₂ e grafeno. Quando a potência do laser de 808 nm aumenta de 0 a 1400 mW, a transmissão diminui na faixa de 0,3 THz a 1,7 THz para Si, grafeno / p-Si e grafeno / TiO ₂ / p-Si. Quando irradiados por laser com energia maior que o gap do Si, os elétrons serão excitados da banda de valência para a banda de condução. Os pares de elétrons-orifícios excitados serão formados na superfície, resultando no aumento da condutividade. E a absorvância e refletividade THz dos semicondutores são dependentes da mudança de condutividade. Portanto, quando a onda THz penetra através do Si irradiado pelo laser, a intensidade da onda THz transmitida diminui. Além disso, o número de pares de elétron-buraco produzidos por Si sob uma irradiação de laser de 808 nm aumentaria com o aumento da potência do laser. E o aumento da condutividade do Si resultaria na atenuação da onda THz transmitida. Na Fig. 2b, a transmissão de grafeno / Si diminui significativamente com o aumento da potência do laser do que a do silício. Quando o laser é irradiado no grafeno / Si, a absorção óptica no Si é muito maior do que no grafeno, então o número de portadores gerados no Si é muito maior do que no grafeno. Os portadores livres irão se difundir do silício para o grafeno sob a ação do gradiente de concentração. O grafeno tem uma maior mobilidade de portadores e, portanto, sofre uma mudança maior na condutividade do que o Si. Embora a absorvância e a refletividade do THz dependam da mudança da condutividade, o desempenho da modulação do grafeno / p-Si é aprimorado em comparação com o Si. Conforme mostrado na Fig. 2c, a diminuição da transmissão de grafeno / TiO ₂ / p-Si é abrupto na potência do laser de 200 mW e 400 mW. Quando a potência do laser continua a aumentar, a diminuição da transmissão torna-se mais suave. Enquanto a potência do laser aplicada é de 1400 mW, a transmitância THz cai para cerca de 10% na faixa de 0,3 THz a 1,7 THz. As profundidades de modulação podem ser calculadas por ( T _{sem excitação} - T _excitação ) / T _{sem excitação} , onde T _{sem excitação} e T _excitação representam a intensidade da transmissão de THz sem e com fotoexcitação, respectivamente. A fim de revelar mais intuitivamente seu desempenho de modulação estática, plotamos as profundidades de modulação como funções de potência do laser para Si, grafeno / Si e grafeno / TiO ₂ / p-Si, como mostrado na Fig. 2d. A profundidade de modulação do grafeno / Si é maior do que a do Si, enquanto a profundidade de modulação do grafeno / TiO ₂ / p-Si é maior do que grafeno / p-Si. As profundidades de modulação de todos eles aumentam com o aumento da potência do laser. Quando irradiado por 200 mW, a profundidade de modulação do grafeno / TiO ₂ / p-Si é ~ 33%, cerca de 6 vezes maior do que Si, 2,5 vezes do grafeno / Si e maior do que os moduladores THz baseados em transistores de efeito de campo de grafeno [21]. A profundidade de modulação do grafeno / TiO ₂ / p-Si pode chegar a 88% ao bombear por um laser de 808 nm com uma potência de 1400 mW, maior do que o modulador baseado em grafeno com excitações elétricas e ópticas simultâneas [26]. Portanto, a partir do teste estático, podemos concluir que o modulador é de alto desempenho com banda larga e grande profundidade de modulação.

O teste de modulação. Os espectros de transmitância do a Si, b grafeno / p-Si e c grafeno / TiO ₂ / p-Si com potência de laser diferente. d A profundidade de modulação como funções da potência do laser para Si, grafeno / Si e grafeno / TiO ₂ moduladores / p-Si

A fim de obter o diagrama de banda de energia do grafeno / TiO ₂ / Si modulador, fizemos o espectrofotômetro UV-visível e as medições UPS, como mostrado na Fig. 3. De acordo com a Fig. 3a, podemos calcular que o gap de Si e TiO ₂ é 1,19 e 2,98 eV, respectivamente. A Figura 3b mostra as medições do UPS em Si, TiO ₂ , grafeno e Au. A fim de confirmar a posição do nível de Fermi do medidor, realizamos as medições do UPS em Au [32]. E as Fig. 3 c e d são as partes ampliadas da Fig. 3b. Da Fig. 3c, o início do elétron secundário do espectro é 16,33, 16,97, 16,43 e 17,11 eV para Si, TiO ₂ , grafeno e Au, respectivamente. Portanto, a posição do nível de Fermi do medidor é 0,98 eV e a função de trabalho de Si, TiO _2, e o grafeno é calculado como sendo 5,85, 5,21 e 5,75 eV, respectivamente. De acordo com a Fig. 3 (d), o valor máximo da banda de valência de Si e TiO ₂ está localizado em 1,48 e 2,86 eV. O nível da banda de valência de Si e TiO ₂ é calculado para ser - 6,35 e - 7,09 eV. Combinando com o gap de Si e TiO ₂ , podemos obter o nível de banda de condução de Si e TiO ₂ , que é - 5,16 e - 4,11 eV.

Espectros de absorção e espectros de UPS. a Os espectros de absorção de Si e TiO ₂ /Si. b Espectros UPS de Si, TiO ₂ , grafeno e Au. c Partes ampliadas de b mostrando o início do elétron secundário. d Partes ampliadas de b mostrando o máximo da banda de valência

Com base nos resultados acima, o diagrama da banda de energia do grafeno / TiO ₂ A heterojunção / Si é ilustrada na Fig. 4. E _c , E _v , e E _F denotam a energia da banda de condução, a energia da banda de valência e a energia do nível de Fermi, respectivamente. TiO ₂ está em contato direto com p-Si, e os elétrons no TiO ₂ recombine com orifícios em p-Si, resultando em camada de depleção na interface. Desde o TiO ₂ é o tipo n “mais fraco”, a largura de depleção no TiO ₂ é maior do que em Si. Considerando o TiO ₂ filme é muito fino (~ 10 nm), um estado totalmente esgotado apareceria no TiO ₂ camada. Quando o grafeno foi transferido no TiO ₂ / Si, não havia elétrons em excesso no TiO ₂ para migrar para o grafeno. Portanto, não haveria camada de acumulação de portadora no estado escuro, e o THz apresentou alta transmissão, o que é consistente com os resultados da Fig. 2b. Quando o grafeno / TiO ₂ A heterojunção / p-Si foi fotoexcitada pelo laser de 808 nm, a quantidade de pares de elétron-buraco gerados em Si era muito maior do que no grafeno e TiO ₂ . Após a fotoexcitação, o nível de Fermi do Si aumentou no TiO ₂ Interface / p-Si. Além disso, os elétrons se moveram em direção ao TiO ₂ e os buracos em direção ao Si devido ao efeito do campo elétrico embutido. A existência de TiO ₂ melhorou a separação de portadores fotoexcitados em Si, formando uma camada condutora do tipo n no TiO fino ₂ camada, dificultando a transmissão da onda THz. Como o TiO ₂ camada é relativamente fina, o efeito na transmissão THz é ligeiramente menor. Após transferir o grafeno no TiO ₂ / p-Si, um grande número de elétrons no TiO ₂ seria injetado no grafeno, que deslocou o nível de Fermi para uma banda de condução superior. Enquanto isso, a condutividade do grafeno aumentou, levando a uma maior atenuação da onda THz. Assim, uma alta profundidade de modulação foi obtida.

Esquema de banda do grafeno / TiO ₂ / Si heterojunção

Conclusões

Em resumo, fabricamos com sucesso um grafeno / TiO totalmente óptico de alto desempenho ₂ modulador terahertz / p-Si. O modulador exibe banda larga variando de 0,3 a 1,7 THz, com profundidade de modulação de 88%. A inserção de TiO ₂ o filme introduziu uma junção PN com p-Si, e o campo elétrico embutido aumentou a separação de portadores fotoexcitados em Si. Os fotoelétrons migraram de Si para TiO ₂ , e então injetado na camada de grafeno, fazendo com que o nível de Fermi do grafeno mude para uma banda de condução mais alta. Portanto, a modulação da transmissão THz pode ser realizada devido ao aumento da condutividade do grafeno. O aparelho também é muito fácil de fazer e de baixo custo. Não há necessidade de depositar eletrodos, e o TiO ₂ o filme pode ser preparado por um método de solução química. Além disso, o laser que usamos é um laser semicondutor, não necessariamente o caro laser de pulso de femtossegundo como sinal de modulação.

Abreviações

p-Si:: Silício tipo P
THz:: Terahertz
UPS:: Espectroscopia de fotoemissão ultravioleta

Pontos quânticos In2S3:Preparação, Propriedades e Aplicação Optoeletrônica Estudo comparativo do efeito antimicrobiano de nanocompósitos e compostos baseados em poli (butileno adipato-co-tereftalato) usando nanopartículas de Cu e Cu / Cu2O e CuSO4

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias