Sifat Inframerah dan Modulasi Gelombang Terahertz dari Heterojunctions Grafena/MnZn Ferit/p-Si
Abstrak
Film tipis ferit MnZn diendapkan pada substrat p-Si dan digunakan sebagai lapisan dielektrik pada transistor efek medan graphene untuk aplikasi perangkat inframerah dan terahertz. Kondisi untuk deposisi film tipis ferit MnZn dioptimalkan sebelum fabrikasi perangkat. Sifat inframerah dan modulasi gelombang terahertz dipelajari pada tegangan gerbang yang berbeda. Lapisan tipis ferit MnZn yang resistif dan magnetis sangat transparan untuk gelombang THz, yang memungkinkan untuk memodulasi gelombang THz yang ditransmisikan secara magnetis melalui resistansi magnet besar dari graphene monolayer.
Latar Belakang
Perangkat inframerah (IR) dan terahertz (THz) sangat penting untuk banyak sistem elektronik seperti radar [1], komunikasi nirkabel [2], dan sistem keamanan [3]. Oleh karena itu sangat penting untuk mengeksplorasi bahan [4,5,6,7] dan struktur [8,9,10,11,12,13,14] yang dapat digunakan dalam kisaran inframerah dan terahertz. Baru-baru ini ditemukan bahwa transmisi gelombang THz dapat dimodulasi dengan transistor efek medan graphene (GFET) dengan menyetel transisi intraband dari graphene monolayer [8]. Dalam modulator GFET THz aslinya, B. Sensale-Rodeiguez dan rekan kerja menggunakan 92 nm SiO2 sebagai bahan dielektrik gerbang, yang mencapai kedalaman modulasi 15% dan kecepatan modulasi gelombang THz 18 Kb/s [8]. D. Zhang dan rekan kerjanya menyelidiki modulasi THz optik dari graphene/SiO2 (150 nm)/p-Si GFET, yang dapat disetel oleh tegangan gerbang [15].
Kemudian, ditemukan bahwa modulasi gelombang THz dari GFET dapat ditingkatkan dengan mengganti dielektrik gerbang dengan Al2 tinggi dan padat. O3 film tipis, yang ditumbuhkan oleh deposisi lapisan atom [16]. Kedalaman modulasi 22% dan kecepatan 170 kHz dicapai dalam graphene/Al2 O3 (60 nm)/p-Si GFET dengan memvariasikan tegangan gerbang [16]. Modulasi yang ditingkatkan dikaitkan dengan pengurangan pengotor Coulomb dan efek rongga [16]. Selanjutnya, dengan menggunakan YIG yang didoping-bi (k ~12.0) sebagai bahan dielektrik dalam heterostruktur graphene/Bi:YIG (50 nm)/p-Si, kedalaman modulasi 15% dan kecepatan 200 kHz dicapai dari 0,1 hingga 1,2 THz dengan menerapkan tegangan gerbang [17].
Menurut penelitian sebelumnya, lapisan dielektrik sebagian besar dapat mempengaruhi kinerja GFET yang digunakan untuk perangkat gelombang THz dan inframerah. Dengan menyaring bahan dielektrik dengan hati-hati, adalah mungkin untuk menyetel kinerja GFET. Dalam penelitian sebelumnya, lapisan dielektrik k tinggi nonmagnetik digunakan untuk perangkat terahertz dan GFET inframerah, di mana sinyal listrik diekstraksi atau diterapkan. Namun, lapisan magnetik dan dielektrik bifungsional belum dipelajari untuk GFET untuk aplikasi terahertz dan inframerah, yang dapat disetel oleh medan magnet eksternal. Di sini, kami memperkenalkan film tipis ferit MnZn sputtered 150 nm sebagai bahan dielektrik GFET untuk aplikasi THz dan inframerah. Sebagai bahan magnetik dan k tinggi [18], film tipis ferit MnZn dapat berfungsi sebagai lapisan dielektrik yang sangat baik dan juga memperkenalkan fungsionalitas baru di GFET THz dan perangkat inframerah. Respon GFET graphene/MnZn ferit/p-Si terhadap iluminasi inframerah diamati dengan membandingkan kurva IV dengan dan tanpa iluminasi inframerah pada bias gerbang yang berbeda. Sementara itu, modulasi listrik gelombang THz dicapai oleh GFET karena tegangan gerbang bervariasi. Perubahan halus dari gelombang THz yang ditransmisikan juga diamati karena medan magnet luar bervariasi.
Metode
Mn1-x Znx Biaya2 O4 film tipis disiapkan oleh RF magnetron sputtering. Bahan target diproduksi oleh pengendapan bersama Fe(NO4 )3 , Mn(TIDAK4 )3 , dan Zn(TIDAK4 )2 larutan, yang dikalsinasi pada 950–1000 °C selama 2 jam, kemudian ditekan ke dalam cakram 60 mm, dan terakhir disinter pada 1250 °C selama 3,5 jam. Film diendapkan pada (100) substrat p-Si pada 200–300 °C di bawah tekanan dasar 4 × 10
−4
Pa dan konsentrasi oksigen 0–25% (PO2 /(PO2 + PAr )). Film (150 nm) dianil dalam ruang hampa antara 400 dan 700 °C di bawah tekanan 0,08 Pa–5,0 Pa selama 1,5 jam.
Struktur kristal Mn1-x Znx Biaya2 O4 film tipis dikarakterisasi menggunakan difraksi sinar-X Cu Kα (XRD, D/max 2400 X Series X-ray diffractometer, Tokyo, Jepang) pada 40 kV dan 100 mA. Struktur mikro Mn1-x Znx Biaya2 O4 film tipis diselidiki menggunakan mikroskop elektron pemindaian (SEM:JOEL JSM6490LV). Kekasaran rata-rata aritmatika permukaan (Ra) dan kekasaran akar rata-rata kuadrat (RMS) telah diukur dengan mikroskop gaya atom (AFM:Veeco Mutimode Nano4). Induksi saturasi diuji dengan penganalisis Iwatsu BH (SY8232). Sifat magnetik film diukur dengan magnetometer sampel bergetar (VSM, MODEL:BHV-525).
Setelah mengoptimalkan kondisi pertumbuhan Mn1-x Znx Biaya2 O4 film tipis pada p-Si, monolayer graphene kemudian dipindahkan dari foil tembaga ke Mn1-x Znx Biaya2 O4 film tipis untuk membentuk heterostruktur graphene/MnZn ferit/p-Si. Grafena dibuat dengan metode deposisi uap kimia (CVD) dalam tungku tabung [19]. Metode transfer graphene monolayer diadaptasi dari referensi [20]. Untuk membuat GFET, elektroda gate, source, dan drain diendapkan dengan evaporasi emas. Struktur GFET menggunakan ferit MnZn sebagai bahan dielektrik gerbang ditunjukkan pada Skema 1. GFET kemudian dikarakterisasi dengan penganalisis parameter semikonduktor (Agilent 4155B) dengan stasiun probe (SUMMIT 1100B-M). Untuk karakterisasi IR, kurva IV diukur di bawah iluminasi IR (λ = 915 nm, P = 1 W), yang dibandingkan dengan di lingkungan gelap. Transmisi gelombang Terahertz diukur dengan sistem domain waktu (TDS) THz pada penerapan tegangan gerbang dan/atau medan magnet eksternal. Medan magnet luar dihasilkan oleh kumparan tembaga buatan sendiri.
GFET menggunakan film tipis ferit MnZn 150 nm sebagai bahan dielektrik gerbang
Hasil dan Diskusi
Gambar 1 menunjukkan pola XRD dari Mn1-x Znx Biaya2 O4 film tipis ferit pada substrat p-Si (100) tergagap di bawah kekuatan RF masing-masing 100, 120, 140, 160, dan 180 W. Struktur spinel film tipis ferit MnZn diperoleh dengan kekuatan sputtering yang berbeda. Puncak difraksi (311) adalah yang terkuat, menunjukkan kristalinitas terbaik pada daya deposisi 160 W. Tabel 1 menunjukkan kekasaran rata-rata aritmatika permukaan (Ra) dan kekasaran kuadrat rata-rata akar (RMS), dan panjang dan lebar butir maksimum film ferit pada substrat p-Si (100). Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, kekasaran permukaan (Ra dan RMS) dari film tipis ferit MnZn meningkat dengan daya RF. Namun, daya RF yang sangat rendah akan mempengaruhi pembentukan film tipis ferit MnZn. Kekasaran film tipis ferit MnZn akan mempengaruhi kinerja perangkat GFET IR dan THz, yang akan kita bahas nanti.
Pola XRD sampel pada substrat p-Si(100) dan sputtering di bawah kekuatan sputtering magnetron RF yang berbeda 100, 120, 140, 160, dan 180 W
Gambar SEM dan AFM film tipis ferit MnZn pada substrat p-Si ditunjukkan pada Gambar. 2. Butir film tipis ferit MnZn dapat diamati dengan jelas. Setelah anil, ukuran butir meningkat seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, d. Gambar 3a menunjukkan pola XRD dari film tipis ferit MnZn yang dianil pada suhu yang berbeda. Puncak (311) dari film tipis ferit MnZn adalah yang terkuat ketika film dianil pada 550 °C. Loop histeresis magnetik dari film tipis ini juga diukur dengan VSM pada suhu kamar dan ditunjukkan pada Gambar. 3b, dari mana magnetisasi saturasi (Ms ) dan koersivitas magnetik (Hc ) diperoleh. Gambar 3c menunjukkan Nyonya dan Hc dari film tipis ferit MnZn yang dianil di bawah tekanan gas nitrogen hingga 4 Pa. Di bawah 3 Pa, Ms tertinggi dan Hc lowest terendah diperoleh pada 0,5 Pa. Di atas 3 Pa, Ms menurun drastis, yang mungkin disebabkan oleh reaksi antara gas nitrogen dan lapisan tipis. Gambar 3d menunjukkan Nona dan Hc dari film tipis ferit sebagai fungsi dari suhu anil pada tekanan nitrogen 1,5 Pa. Ms (Hc ) nilai film tipis MnZn mencapai nilai maksimum (minimum) 330 kA/m (1600 A/m = 20 Oe) pada 550 °C. Maksimum Nona dan minimum Hc sesuai kristalinitas terbaik dari film tipis MnZn, yang konsisten dengan data XRD pada Gambar. 3a. Pada suhu dan tekanan gas yang lebih tinggi, atom permukaan film tipis dinitridasi menjadi pengotor, yang menurunkan sifat magnetik film tipis ferit MnZn. Akibatnya, film tipis MnZn dibuat pada suhu anil 550 °C dan di bawah tekanan vakum di bawah 3 Pa.
Gambar SEM dari (a ) sebagai setoran dan (b ) film tipis ferit MnZn anil, (c ) dan (d ) tampilkan gambar AFM yang sesuai
Karakterisasi film tipis MnZn tergagap. (a ) pola XRD dan (b ) loop histeresis film tipis MnZn yang dianil pada 350, 450, 550, 650, dan 750 °C. Magnetisasi saturasi (Nona ) dari film tipis MnZn ketika dianil di bawah tekanan dari 0,0 Pa hingga 4,5 Pa in (c ) dan suhu dari 450 hingga 700 °C dalam (d )
Grafena yang ditumbuhkan pada foil tembaga yang sama kemudian dipindahkan ke film tipis ferit MnZn untuk membuat GFET dengan struktur yang ditunjukkan pada Skema 1. Di sini, kami membuat GFET dengan film tipis ferit MnZn yang tergagap pada 100 dan 150 W dan dianil dalam kondisi optimal seperti yang dibahas di atas . Gambar 4a, b menunjukkan arus listrik yang diukur antara saluran dan sumber sebagai fungsi dari tegangan gerbang yang diterapkan untuk dua GFET. Selama pengukuran, tegangan yang diterapkan antara sumber dan saluran dijaga konstan pada 1 V. Arus secara bertahap meningkat karena tegangan gerbang dinaikkan secara negatif. Arus berubah sangat lambat ketika tegangan gerbang dibias positif. Karakteristik IV asimetris dari dua GFET bisa menjadi hasil dari emisi termoionik dan tunneling interband di persimpangan antara gated dan akses daerah [21]. Resistansi graphene pada film tipis ferit MnZn sputtering 100 W jauh lebih kecil daripada pada film tipis sputtered 150 W pada bias gerbang yang sama, dibandingkan pada Gambar 4a, b. Resistensi yang lebih besar pada Gambar 4b dapat menjadi hasil dari kekasaran yang lebih besar dari film tipis ferit MnZn tergagap 150 W, dibandingkan pada Tabel 1. Kekasaran yang diinduksi kerut dari graphene monolayer dapat menekan pengangkutan pembawa muatan, yang mengarah ke resistensi yang lebih tinggi [22].
karakterisasi IR. (a ) dan (b ) Sayasd -Vsg kurva GFET dengan film tipis ferit MnZn tergagap pada 100 dan 150 W, masing-masing. (c ) dan (d ) membandingkan Isd -Vsg kurva di bawah iluminasi IR dan tidak ada iluminasi. Tegangan yang diterapkan antara sumber dan pembuangan adalah 1,0 V untuk semua kurva
Gambar 4c, d menunjukkan perbandingan kurva IV di bawah lingkungan gelap dan penerangan inframerah untuk GFET menggunakan film tipis ferit MnZn sputtered 100 dan 150 W. Cahaya inframerah berada pada panjang gelombang 915 nm dan daya 1 W di jendela ~1 cm
2
. Tegangan yang diterapkan antara sumber dan saluran adalah 1 V. Kurva IV GFET di bawah penerangan inframerah analog dengan yang diukur di lingkungan gelap, namun, dengan arus yang ditingkatkan secara signifikan. Penyempurnaan ini jauh lebih kuat untuk GFET yang menggunakan film tipis ferit MnZn sputtered 100 W sebagai lapisan dielektrik dibandingkan dengan menggunakan film tipis ferit MnZn sputtered 150 W. Peningkatannya ~7,5 kali pada tegangan gerbang 10 V untuk film tipis ferit MnZn sputtering 100 W, yang ~2,5 kali untuk film tipis ferit MnZn sputtering 150 W. Yaitu, kekasaran permukaan film tipis ferit MnZn juga dapat mempengaruhi sifat optoelektronik inframerah.
GFET dengan film tipis ferit MnZn sputtered 100 W kemudian digunakan untuk memeriksa sifat modulasi gelombang THz. Gambar 5a menunjukkan transmisi gelombang THz melalui GFET pada penerapan bias gerbang yang berbeda. Transmisi diukur dengan pulsa THz menggunakan sistem THz-TDS, dan transmisi dalam domain frekuensi diperoleh dengan transformasi Fourier menggunakan udara sebagai baseline. Ketika tegangan gerbang divariasikan dari 25 V hingga 25 V, resistansi antara sumber dan saluran menurun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a. Pengurangan resistansi menghasilkan penurunan transmitansi gelombang THz, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a . Yaitu, transmisi gelombang THz dapat dimodulasi dengan menerapkan tegangan gerbang yang berbeda dari GFET. Gelombang THz yang ditransmisikan juga diukur ketika medan magnet eksternal diterapkan, yang ditunjukkan pada Gambar. 5b. Saat medan magnet luar meningkat, intensitas gelombang THz yang ditransmisikan menurun, yang jenuh di atas 50 Oe. Perubahan intensitas gelombang THz yang ditransmisikan di bawah medan magnet luar dapat disebabkan oleh magnetoresistansi graphene yang sangat besar [23]. Lapisan tipis ferit MnZn di bawahnya memberikan medan pinggiran yang kuat pada magnetisasi oleh medan magnet luar. Magnetoresistansi dari graphene/MnZn ferit/p-Si hetrojunction ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar S1 dalam informasi tambahan. Namun, modulasi gelombang terahertz sangat halus (5%), yang bisa jadi karena permukaan film tipis ferit MnZn yang tidak rata dan/atau perubahan kecil dari modulasi terahertz dengan resistansi. Graphene dapat merasakan medan fringe yang jauh lebih kuat dan seragam pada film tipis ferit MnZn yang sangat halus, yang dapat memiliki ketahanan magnet graphene yang lebih besar dan memberikan kedalaman modulasi yang lebih besar oleh medan magnet eksternal.
karakterisasi THz. (a ) Spektrum transmisi THz dari 0,2 hingga 1,0 THz pada tegangan gerbang yang berbeda dari 25 hingga 25 V, dan (b ) spektrum domain frekuensi di bawah medan magnet eksternal yang berbeda dari 0,63 hingga 0,70 THz
Kesimpulan
Grafena/MnZn ferit/p-Si heterostruktur dibuat untuk aplikasi perangkat IR dan THz. Film tipis ferit MnZn diendapkan pada p-Si dengan sputtering magnetron, yang dianil sebelum digunakan untuk fabrikasi GFET. Film tipis ferit MnZn menyediakan bahan dielektrik alternatif untuk perangkat GFET IR dan THz. Sebagai film tipis magnetik dan resistif tinggi, ini dapat memperkuat magnetoresistansi graphene dan modulasi THz yang ditransmisikan tanpa menimbulkan kerugian penyisipan tambahan. Kekasaran permukaan film tipis ferit MnZn sebagian besar dapat mempengaruhi kinerja perangkat IR dan THz. Kinerja yang lebih tinggi dapat dicapai dengan membuat film tipis ferit MnZn lebih halus. Pekerjaan seperti itu sedang berlangsung.
