Optimisasi Modulasi Inframerah dan Terahertz pada Heterosambungan Grafit/MnZn Ferit/p-Si

Abstrak

Film tipis MnZn ferit yang aktif magnetik dan high-k ditambatkan pada substrat p-Si dan diintegrasikan sebagai lapisan dielektrik dalam transistor efek lapangan grafit (GFET) untuk aplikasi perangkat inframerah (IR) dan terahertz (THz). Dengan mengoptimalkan parameter penambatan, kami mencapai lapisan MnZn ferit ultra-tipis yang sangat transparan yang memungkinkan modulasi transmisi THz melalui magnetoresistansi besar dari saluran grafit monolaer. Fototransport inframerah juga diselidiki di bawah berbagai bias gerbang, mengungkapkan peningkatan arus yang substansial yang berkorelasi dengan kualitas permukaan dielektrik.

Latar Belakang

Teknologi inframerah (IR) dan terahertz (THz) merupakan bagian integral dari radar, komunikasi nirkabel, dan sistem keamanan [1–3]. Akibatnya, pencarian material dan heterostruktur yang bekerja secara efisien dalam jendela spektral ini tetap menjadi prioritas [4–14]. Penelitian terbaru telah menunjukkan bahwa transistor efek lapangan grafit (GFET) dapat memodulasi transmisi THz dengan menyesuaikan transisi intraband dalam lapisan grafit monolaer [8]. Misalnya, GFET dengan SiO₂ 92 nm sebagai dielektrik gerbang mencapai kedalaman modulasi 15% pada 18 kHz [8], sementara perangkat grafit/SiO₂ (150 nm)/p-Si mencapai kedalaman 22% pada 170 kHz saat Al₂O₃ (60 nm) digunakan sebagai insulator gerbang high-k [16]. Dielektrik Bi-doped YIG (k ≈ 12) secara serupa memungkinkan kedalaman 15% pada 200 kHz di seluruh 0,1–1,2 THz [17].

Studi-studi ini menunjukkan bahwa lapisan dielektrik dalam besarnya menentukan performa GFET dalam regime IR dan THz. Sementara dielektrik high-k non-magnetik telah dieksplorasi secara luas, integrasi dielektrik magnetik bifungsi—yang mampu diatur secara eksternal melalui magnet—masih sebagian besar belum terjelajahi. MnZn ferit, oksida high-k (k ≈ 16) dan ferromagnetik, menawarkan platform yang menjanjikan untuk menggabungkan keandalan dielektrik dengan kontrol magnetik. Di sini, kami melaporkan penambatan film MnZn ferit 150 nm pada p-Si, integrasinya ke dalam GFET, dan respon fototransport IR serta modulasi THz yang dihasilkan di bawah stimulus listrik dan magnetik.

Metode

Film tipis Mn_1‑xZn_xFe₂O₄ difabriknasi melalui sputter magnetron RF. Target, yang dihasilkan melalui co-precipitation Fe(NO₃)₃, Mn(NO₃)₃, dan Zn(NO₃)₂, dikalcinasi pada 950–1000 °C selama 2 jam, ditekan menjadi cakram 60-mm, dan disinter pada 1250 °C selama 3,5 jam. Film ditambatkan pada substrat p-Si (100) pada 200–300 °C di bawah tekanan dasar 4 × 10⁻⁴ Pa dengan 0–25% O₂ (P_O2/(P_O2 + P_Ar)). Film 150-nm kemudian dianalkan dalam vakum (0,08–5,0 Pa) pada 400–700 °C selama 1,5 jam.

Analisis struktural menggunakan difraksi X-ray (XRD, D/max 2400, Tokyo, Jepang) Cu Kα pada 40 kV/100 mA. Morfologi diperiksa melalui SEM (JOEL JSM6490LV) dan AFM (Veeco Mutimode Nano4) untuk mengekstrak kekasaran rata-rata aritmetik (Ra) dan kekasaran root-mean-square (RMS). Sifat magnetik diukur dengan magnetometer sampel getaran (VSM, BH–V525) dan induksi saturasi dengan analyzer Iwatsu BH (SY8232).

Setelah mengoptimalkan kondisi pertumbuhan MnZn ferit, grafit monolaer ditransfer dari folium tembaga pada film ferit menggunakan metode PMMA-assisted standar [19,20] untuk membentuk heterostruktur grafit/MnZn ferit/p-Si. Elektroda sumber, saluran, dan gerbang tembaga diavaporasi untuk menyelesaikan GFET (lihat Skema 1). Karakteristik listrik dicatat dengan analyzer parameter Agilent 4155B. Respon IR dievaluasi dengan mengukur kurva I–V di bawah iluminasi 915 nm (1 W, ~1 cm²) versus kegelapan. Transmisi THz diukur dengan sistem spektroskopi domain waktu (TDS) sambil memvariasi tegangan gerbang dan menerapkan medan magnet eksternal yang dihasilkan oleh coil tembaga khusus.

Arsitektur GFET yang menggabungkan MnZn ferit 150-nm sebagai dielektrik gerbang.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menunjukkan pola XRD untuk film Mn_1‑xZn_xFe₂O₄ yang ditambatkan pada daya RF 100–180 W. Semua sampel menunjukkan jaringan spinel, dengan refleksi (311) mendominasi pada 160 W, menunjukkan kristalinitas optimal. Tabel 1 (tidak ditunjukkan) melaporkan bahwa Ra dan RMS meningkat monoton dengan daya sputter, yang menunjukkan bahwa penambatan energi tinggi membuat permukaan kasar—efek yang dapat menurunkan performa GFET.

Spektrum XRD MnZn ferit pada p-Si (100) untuk daya RF 100, 120, 140, 160, dan 180 W.

Pitraan SEM dan AFM (Gambar 2) mengonfirmasi gores kolumnar yang kasar setelah penganalan. XRD setelah penganalan (Gambar 3a) mengungkapkan bahwa 550 °C memaksimalkan intensitas (311). Loop histeresis magnetik (Gambar 3b) yang diukur pada suhu kamar menunjukkan magnetisasi saturasi (M_s) 330 kA m⁻¹ dan kekerapan (H_c) 1600 A m⁻¹ (≈20 Oe) pada 550 °C di bawah 0,5 Pa nitrogen, kondisi penganalan optimal. Suhu yang lebih tinggi atau tekanan gas memperkenalkan defek terkait nitrogen, mengurangi M_s dan meningkatkan H_c.

Citra SEM (a, b) dan AFM (c, d) film MnZn ferit sebelum dan setelah penganalan.

Efek penganalan pada (a) XRD, (b) histeresis, (c) M_s versus tekanan, dan (d) M_s versus suhu.

GFET difabriknasi pada film yang ditambatkan pada 100 dan 150 W. Kurva arus sumber-saluran (I_sd) versus tegangan gerbang-sumber (V_sg) (Gambar 4a,b) menunjukkan aktivasi saluran elektron yang jelas di bawah bias gerbang negatif, sementara bias positif memberikan respons yang lebih lemah, kemungkinan karena emisi termionik asimetrik dan tunnel interband pada antarmuka gerbang/akses [21]. Perangkat dengan film 100-W menunjukkan resistensi yang lebih rendah daripada kontrapart 150-W, mencerminkan permukaan dielektrik yang lebih halus dan penangkar muatan yang berkurang.

Karakterisasi IR: (a) I_sd–V_sg untuk film 100-W, (b) film 150-W, (c) dan (d) kurva yang sama di bawah iluminasi 915 nm (1 W).

Di bawah iluminasi 915 nm, kedua perangkat menunjukkan peningkatan arus yang signifikan, tetapi perangkat 100-W mendapat amplifikasi sekitar 7,5× pada 10 V, dibandingkan sekitar 2,5× untuk perangkat 150-W. Perbedaan ini menekankan pengaruh kekasaran dielektrik terhadap transportasi penangkar yang diinduksi cahaya.

Transmisi THz dievaluasi dengan menyepak tegangan gerbang dari +25 V hingga –25 V. Seiring dengan penurunan resistensi saluran dengan bias negatif, intensitas THz yang ditransmisikan menurun (Gambar 5a), menunjukkan modulasi yang dikontrol gerbang. Ketika medan magnet eksternal diterapkan, intensitas THz yang ditransmisikan turun lebih jauh, memenuhi saturasi di atas 50 Oe (Gambar 5b). Modulasi halus 5% ini disebabkan oleh magnetoresistansi besar grafit di bawah medan tepi dari MnZn ferit, meskipun ketidakteraturan permukaan membatasi efek. Dielektrik yang lebih halus kemungkinan besar akan meningkatkan kedalaman modulasi magneto-THz.

Karakterisasi THz: (a) Spektra transmitansi (0,2–1,0 THz) pada tegangan gerbang –25 hingga +25 V, (b) Spektra di bawah 0,63–0,70 THz untuk medan magnet yang bervariasi.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa film tipis MnZn ferit, ketika ditambatkan dan dianalkan dalam kondisi yang dioptimalkan, berfungsi sebagai dielektrik high-k yang berepons magnetik untuk heterosambungan berbasis grafit. GFET yang dihasilkan menunjukkan peningkatan fotokonduktivitas IR yang signifikan dan transmisi THz yang dikontrol gerbang, dengan tunabilitas medan magnet yang modest yang berasal dari magnetoresistansi besar grafit. Performa perangkat sangat berkorelasi dengan kekasaran permukaan dielektrik; perhalusan lebih lanjut lapisan MnZn ferit diharapkan meningkatkan kedalaman modulasi IR dan THz. Pekerjaan mendatang akan difokuskan pada penyempurnaan morfologi film untuk membuka potensi penuh perangkat IR/THz yang dapat diatur secara magnetik.