Grafin Nanomesh Skala Besar dan Seragam untuk Deteksi Terahertz Suhu Ruangan Berkecepatan Tinggi

Latar Belakang

Grafin, lapisan tunggal film karbon yang dihibridisasi sp², telah menarik perhatian besar dalam beberapa tahun terakhir karena ia memiliki properti optoelektronik unik, seperti mobilitas pengisi tinggi, band gap nol, dan serapan yang tidak bergantung pada frekuensi. Properti ini memfasilitasi potensi aplikasinya dalam bidang nanoelektronika, nanokomposit, sensor kimia, biosensor, dan detektor foton [1,2,3,4,5,6]. Namun, celah energi nol grafin membatasi aplikasinya dalam perangkat elektronik dan fotonik. Akibatnya, sangat diinginkan untuk membuka celah energi grafin dan sebaliknya meningkatkan rasio I_on/I_off [7]. Secara universal diakui bahwa band gap grafin dapat disesuaikan dengan berbagai metode, termasuk penerapan medan listrik (atau magnet) pada grafin berlapis dua [8, 9], doping kimia [10], penerapan tekanan [11], dan mengubah nanostruktur grafin [12,13,14]. Misalnya, pada 2017, Cheng et al. memperkenalkan grafin yang diatur kimia dengan atom heterogen yang dimasukkan ke dalam jaringan saringan lebah dan menunjukkan nanosheet yang disesuaikan mikrostruktur (misalnya, titik kuantum 0D, nanoribbon 1D, dan nanomesh 2D), yang memperluas band gap dan menginduksi properti kimia dan fisik khusus grafin, lebih lanjut menyajikan aplikasi yang menjanjikan dalam aktuator dan generator daya [15]. Namun, di antara semua metode yang menyesuaikan band gap grafin, mengubah nanostruktur grafin saat ini adalah cara yang paling nyaman [16], karena meminimalkan properti elektronik inherent grafin [17]. Properti grafin diubah ketika diskalakan ke nanostruktur, seperti nanoribbon grafin (GNR) [18,19,20], nanoring grafin, dan nanomesh grafin [21,22,23,24]. Sun et al. mengusulkan metode sederhana untuk membuka band gap yang sebanding pada grafin dengan menyempitkannya menjadi GNR dan menggunakannya dalam FET, mencapai rasio I_on/I_off yang besar sekitar 47 dan 105 pada suhu ruangan dan 5,4 K, masing-masing [12]. Namun, pembuatan GNR yang panjang dan sempit sulit, yang akan menjadi hambatan dalam aplikasi perangkat nanoelektronik. Grafin nanomesh (GNM), nanostruktur yang lebih sederhana untuk dibuat, dapat membuka band gap pada lembar grafin skala besar, dan FET berdasarkan GNM dapat mendukung arus hampir 100 kali lebih besar dari perangkat GNR individu [25]. Pada 2017, Yang et al. menggunakan template silika mesoporous (meso-SiO₂) untuk persiapan FET GNM dengan rasio on/off yang ditingkatkan, membangun biosensor yang sangat sensitif untuk deteksi selektif reseptor faktor pertumbuhan epiderma manusia 2. Ini lebih membuktikan bahwa mengubah grafin menjadi GNM untuk membuka band gap adalah metode yang efektif [26]. Secara umum, GNM dapat dibuat dengan nanoimprint lithography, litografi berbantuan template, dan pertumbuhan terorganisasi sendiri [27]. Kelompok Haghiri melaporkan pembuatan GNM luas permukaan yang diterapkan untuk deteksi DNA tanpa label melalui nanoimprint lithography [22]. Namun, lebat leher GNM terlalu besar (~ 260 nm) untuk membuka celah energi. Zang et al. menunjukkan metode template baru untuk menyiapkan GNM menggunakan membran oksida aluminium anodis sebagai maska pola dengan bantuan pengasokan plasma O₂ [28]. Sebagian besar GNM disiapkan dengan memfabrikasi terlebih dahulu template nanostruktur atau nanopartikel sebagai maska pelindung untuk mengubah lapisan grafin. Namun, sintesis nanomask relatif kompleks, dan lebat leher GNM sulit dikontrol untuk merealisasikan pembuatan array seragam skala besar.

Di sini, array seragam skala besar nanomesh grafin persegi panjang (r-GNM) dan lingkaran (c-GNM) dengan lebat leher yang berbeda berhasil dipola dengan litografi sinar elektron (EBL). Selain itu, detektor terahertz berbasis GNM didasarkan pada efek fotokonduktif grafin dibuat. Pengukuran listrik dilakukan pada suhu ruangan untuk mendapatkan wawasan lebih lanjut tentang efek lebat leher GNM kami pada performa detektor, yang menunjukkan bahwa perangkat dengan lebat leher GNM yang berbeda memiliki rasio I_on/I_off dan band gap yang berbeda. Terlihat bahwa arus perangkat berbasis c-GNM lebih besar daripada perangkat berbasis r-GNM sementara rasio arus I_on/I_off lebih kecil; ini mungkin disebabkan oleh kekasaran tepi yang lebih banyak pada r-GNM. Setelahnya, fotocurrents terahertz perangkat r-GNM dengan ukuran yang berbeda juga diukur, menunjukkan efek fotokonduktif dari struktur baru ini. Akhirnya, aplikasi citra terahertz berdasarkan perangkat r-GNM menggunakan sistem citra bifokal ditunjukkan.

Bagian Eksperimental

Pembuatan Detektor

Grafin lapis tunggal skala besar ditumbuhkan dengan depoisi uap kimia pada substrat tembaga. Kemudian dipindahkan pada substrat Si tipe p yang sangat di-doping dengan lapis SiO₂ tebal 285 nm menggunakan teknik transfer basah berbantuan polymetil metakrit (PMMA) [29]. Elektroda sumber dan sisa (tebal 50 nm Au) ditetapkan pada grafin melalui depoisi sinar elektron diikuti dengan teknik lift-off logam standar. Jarak pemisahan antara kedua elektroda adalah 14 μm. Dalam langkah kedua, kami menggunakan teknologi EBL untuk membuat dua jenis nanomesh grafin: r-GNM dan c-GNM. Rute pembuatan EBL r-GNM dan c-GNM diilustrasikan dalam Gambar 1. Setelah transfer grafin pada substrat, resist e-beam positif, PMMA, kemudian diputar pada sampel grafin dan dipola untuk membentuk maska pengasokan. Bentuk dan ukuran yang diinginkan dapat ditentukan oleh maska. Setelah itu, grafin yang terpapar udara diasok jauh menggunakan plasma oksigen pada 5 Pa dan 100 W selama 5 s. Kemudian, larutan isopropanol terhadap metil isobutil keton (3:1) digunakan untuk menghapus PMMA, diikuti dengan depoisi dielektrik nitrid silicium (Si₃N₄) melalui depoisi uap kimia yang ditingkatkan plasma (PECVD). Akhirnya, elektroda gate ditetapkan di atas Si₃N₄ melalui metode depoisi sinar elektron.

Ilustrasi proses pembuatan GNM dengan EBL

Analisis Sampel

Morfologi dan struktur r-GNM dan c-GNM yang disintesis dikarakterisasi dengan mikroskopi elektron pemindai (Hitachi, S-4800). Properti elektrik detektor dikarakterisasi dengan analyzer parameter semiconductor (Agilent, 4294A) pada suhu ruangan, sementara karakteristik optik perangkat diuji dengan sistem pengukuran optik buatan sendiri.

Hasil dan Pembahasan

Ilustrasi skematik detektor terahertz yang dibuat berdasarkan c-GNM digambarkan dalam Gambar 2a. Elektroda sumber dan sisa ditetapkan pada substrat SiO₂/Si dengan lapisan grafin tunggal yang dipotong dari c-GNM. Struktur geometris tipikal c-GNM ditunjukkan dalam Gambar 2b. GNM skala besar yang kontinu dengan panjang 20 μm dan lebar 60 μm digunakan sebagai saluran. Karena grafin adalah lapisan tunggal struktur atom, untuk mengurangi kerusakan dalam pembuatan lapis oksida, kami memilih proses PECVD suhu rendah nitrid silicium (Si₃N₄) untuk membuat lapis dielektrik. Keuntungan tambahan insulator nitrid silicium dibandingkan oksida silicium untuk perangkat grafin adalah frekuensi fonon optik polar permukaan yang lebih tinggi sekitar 110 dibandingkan sekitar 56 meV untuk oksida silicium, yang seharusnya mengurangi pentingnya penurunan fonon inelastis jarak jauh di saluran grafin [30]. Untuk menyelidiki lebih lanjut perangkat dengan nanostruktur yang berbeda, detektor terahertz berbasis r-GNR juga disiapkan, dan ilustrasi skematik diberikan dalam Gambar 2c. “W” dalam Gambar 2b, d adalah nilai lebat leher, didefinisikan sebagai jarak minimum antara nanolubang yang paling berdekatan, yang merupakan parameter paling kritis dalam GNM.

a Ilustrasi skematik detektor terahertz yang dibuat berdasarkan c-GNM. b Skematik struktur c-GNM, di mana W adalah lebat leher. c Ilustrasi skematik detektor terahertz yang dibuat berdasarkan r-GNM. d Skematik struktur r-GNM

Pengukuran listrik dilakukan pada suhu ruangan untuk mendapatkan wawasan lebih lanjut tentang efek lebat leher GNM kami pada performa detektor. Di sini, empat array r-GNM dan c-GNM dengan lebat leher 30, 40, 50, dan 60 nm, masing-masing, dipola dengan EBL. Gambar 3a menyajikan citra SEM r-GNM dengan berbagai lebat leher. Gambar 3b menggambarkan c-GNM dengan berbagai lebat leher. Dalam studi ini, lebat leher GNM konsisten dengan tata letak desain dengan mengontrol waktu pengasokan dan daya pengasokan. Selama fokus citra SEM, elektron pemindai memiliki efek tertentu pada grafin, yang mengarah pada perbedaan warna citra SEM grafin, tetapi morfologi dan ukuran nanomesh grafin tidak akan terpengaruh. Seperti yang ditunjukkan citra ini dengan jelas, baik array c-GNM maupun array r-GNM dapat dibuat secara seragam pada skala besar menggunakan EBL.

a Citra SEM c-GNM dengan lebat leher (i) 60, (ii) 40, (iii) 50, dan (iv) 30 nm. b Citra SEM r-GNM dengan lebat leher (i) 60, (ii) 40, (iii) 50, dan (iv) 30 nm

Untuk menyelidiki properti elektronik GNM, perangkat FET berdasarkan GNM dengan lebat leher 30, 40, 50, dan 60 nm disiapkan, masing-masing. Hasta beberapa batas, GNM dapat dianggap sebagai jaringan GNR yang sangat terhubung, dan pekerjaan teoretis dan eksperimental telah menunjukkan bahwa ukuran band gap konduksi berbanding terbalik dengan lebar ribbon. Artinya, lebat leher yang sempit akan menghasilkan energi band gap yang cukup untuk respon gate yang cukup dan rasio on-off, dan struktur mesh yang lebih padat dapat mengaktifkan pengiriman arus yang lebih tinggi [25].

Gambar 4a menunjukkan karakteristik transfer pada V_ds = 2 V untuk perangkat berdasarkan c-GNM dengan lebat leher yang berbeda 30, 40, 50, dan 60 nm, dari mana kami dapat menentukan rasio I_on/I_off yang sesuai sekitar 40, 25, 5, dan 4, masing-masing. Karakteristik transfer untuk perangkat berdasarkan r-GNM dengan lebat leher yang berbeda 30, 40, 50, dan 60 nm disajikan dalam Gambar 4b. Membandingkan Gambar 4a, b, kami dapat melihat bahwa arus konduksi c-GNM jauh lebih besar daripada r-GNM (sekitar dua kali). Akibatnya GNM dapat dianggap sebagai struktur jaringan terhubung grafin, area aktual c-GNM yang mengirimkan arus lebih besar daripada r-GNM, ini mengarah pada arus c-GNM lebih besar daripada r-GNM dalam kondisi yang sama. Selain itu, rasio I_on/I_off r-GNM dengan lebat leher yang berbeda 30, 40, 50, dan 60 nm yang diperoleh adalah sekitar 100, 25, 8, dan 3, masing-masing, menunjukkan bahwa rasio I_on/I_off perangkat berbasis GNM dapat dengan mudah disesuaikan dengan mengubah lebat leher, yang memainkan peran penting dalam properti transport muatan. Terlihat bahwa perangkat berbasis GNM dalam surat ini memiliki rasio I_on/I_off yang lebih tinggi daripada banyak perangkat berbasis GNR dengan lebar yang lebih kecil [17]. Karena GNM dapat dianggap sebagai jaringan GNR yang terhubung, generasi band gap juga disebabkan oleh beberapa faktor, termasuk penahanan kuantum lateral [31] dalam arah transmisi dan blokade Coulomb [32] yang timbul dari cacat atau kekasaran tepi [33]. Rasio arus I_on/I_off yang besar ini mungkin timbul dari efek saluran panjang: struktur jaringan GNM meningkatkan saluran konduksi perangkat, batas nanolubang internal meningkatkan penahanan kuantum [34], dan efek lokalisasi disebabkan oleh cacat tepi, seperti gangguan tepi [35] dan/atau spesies yang terserap pada ikatan π longgar karbon di dalam nanolubang internal [36, 37]. Batas internal r-GNM jauh lebih besar daripada c-GNM karena geometri yang berbeda. Selain itu, tepi lingkaran c-GNM memiliki lebih banyak cacat, membuat penahanan kuantum lateral lebih mencolok untuk meningkatkan band gap. Ini juga dapat menjelaskan mengapa rasio arus I_on/I_off r-GNM lebih besar daripada c-GNM. Dari Gambar 4a, b, ditentukan bahwa perangkat berdasarkan r-GNM dan c-GNM menunjukkan konduksi yang jelas dengan nilai minimum yang sesuai dengan titik Dirac pada sekitar −5 V. Tegangan ambang diperoleh dengan menggunakan tegangan pada waktu konduksi dikurangi tegangan titik netral. Dari Gambar 4a, b, kami dapat melihat bahwa tegangan ambang perangkat sekitar 15 V untuk c-GNM dan r-GNM ukuran 30 nm. Konduktivitas homolog yang diperoleh ditampilkan dalam Gambar 4c. Elektroda perangkat dibuat langsung pada grafin asli. Hanya grafin di antara saluran yang diubah menjadi nanomesh, dan resistensi kontak antara elektroda logam dan di bawah grafin pristin semilomat adalah relatif kecil. Resistensi saluran terutama adalah resistensi nanomesh grafin. Karena rasio tugas area yang lebih besar pada area saluran konduktif yang sama, konduktivitas perangkat berbasis c-GNM ditemukan lebih tinggi daripada perangkat berbasis r-GNM. Dibandingkan dengan GNR [38] atau GNM lain [39] yang telah dilaporkan sebelumnya, sampel c-GNM dan r-GNM kami dapat mengirimkan arus yang lebih tinggi karena area dan ukuran yang seragam.

Karakteristik transfer (I_ds − V_g) perangkat berdasarkan a c-GNM dan b r-GNM dengan lebar yang berbeda pada V_ds = 2 V. V_Th (nilai tegangan konduksi dikurangi nilai tegangan titik netral) perangkat 30 nm sekitar 15 V. c Konduktivitas terhadap lebat leher untuk r-GNM (hitam) dan c-GNM (merah)

Gambar 5a menunjukkan diagram skematik band energi untuk GNR dengan elektroda sumber dan sisa. Tingkat sumber dan sisa mendekati tepi band konduksi dan valensi, masing-masing, dengan peningkatan tegangan sumber-sisa (V_DS). Ketika tepi band konduksi (valensi) jatuh ke dalam jendela bias antara elektroda sumber dan sisa, elektron (lubang) disuntik dari sumber (sisa), dan arus I naik tajam. Tegangan gate menyesuaikan posisi celah relatif terhadap tingkat sumber-sisa. Kurva I_DS terhadap V_DS pada bias V_GS dekat dengan tegangan netral muatan untuk r-GNM dan c-GNM dengan lebat leher 30 dan 40 nm diilustrasikan dalam Gambar 5b, c, yang jelas menunjukkan wilayah “turn-on” dan “turn-off”, tergantung pada lokasi tingkat Fermi. Dengan peningkatan lebat leher GNM, ukuran jendela konduktivitas rendah menurun. Untuk r-GNM dengan lebar 30 dan 40 nm, celah energi diperkirakan 0,23 dan 0,17 eV, masing-masing (Gambar 5b). Gambar 5c mengilustrasikan celah band energi sebesar 0,19 dan 0,16 eV untuk c-GNM dengan lebar 30 dan 40 nm, masing-masing. Nilai-nilai ini menunjukkan bahwa band gap berbanding terbalik dengan lebat leher saluran GNM, dan keberadaan lebih banyak cacat tepi pada r-GNM dapat meningkatkan band gap [23].

a Diagram skematik band energi untuk GNR dengan elektroda sumber dan sisa. Kurva I_DS versus V_DS pada bias V_GS dekat dengan tegangan netral muatan untuk b r-GNM dan c c-GNM

Selanjutnya, properti optoelektronik perangkat r-GNM diteliti dengan sistem optik yang ditampilkan dalam Gambar 6a untuk melakukan uji fotocurrent pada r-GNM. Dalam sistem, sumber radiasi hitam dengan filter pass-band 3-THz digunakan untuk menghasilkan radiasi terahertz, dan kami mengukur amplitudo a.c. fotocurrent yang diperoleh menggunakan pengunci in yang dirujuk ke frekuensi choper. Amplitudo fotocurrent ditemukan hampir nol tanpa menerapkan tegangan bias sumber-sisa. Karena kontak langsung elektroda logam dan grafin, fotocurrent dari fotokarrier yang dihasilkan oleh radiasi relatif lemah dan saling membatalkan satu sama lain, menghasilkan fotocurrent eksternal hampir nol.

a Diagram skematik pengaturan eksperimental uji terahertz. b Kurva fotocurrent I_Ph versus lebat leher r-GNM

Selain itu, pasangan elektron-lubang yang dihasilkan dalam GNM biasanya merekombinasi dalam waktu yang sangat singkat, tidak berkontribusi pada fotocurrent. Oleh karena itu, fotocurrent deteksi ada dengan tegangan eksternal untuk memisahkan pasangan elektron-lubang yang dihasilkan oleh cahaya sebelum mereka merekombinasi. Dalam penelitian yang dilaporkan di sini, tegangan bias sumber-sisa 0,2 V diterapkan, dan fotocurrents 0,28, 0,32, 0,4, dan 0,93 nA diperoleh di bawah radiasi 3 THz, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6b, sesuai dengan perangkat r-GNM yang berbeda dengan lebat leher 30, 40, 50, dan 60 nm, masing-masing. Secara menarik, fotocurrent meningkat tajam menjadi 0,93 dari 0,4 nA. Seperti yang telah dilaporkan sebelumnya, tingkat serapan grafin pada cahaya terlihat sekitar 2,3%, yang dapat dianggap sebagai efek termoelektrik [40]. Sementara di bawah sinar elektromagnetik dengan energi di bawah IR, pemanasan termal grafin yang disebabkan oleh serapan laser ditemukan menurunkan konduktivitas grafin, yang berkontribusi pada alasan mengapa efek termal dikecualikan sebagai penyebab peningkatan fotocurrent grafin saat diilumini. Efek fotokonduktif berarti ketika energi foton insiden cocok dengan celah energi GNM, celah energi dapat menginduksi pemisahan yang ditingkatkan eksiton yang diinduksi oleh foton dan efisiensi ekstraksi pengisi yang lebih tinggi sehingga nilai fotocurrent meningkat tajam pada lebat leher 60 nm.

Detektor sel Golay (TYDEX GC-1P) digunakan untuk menkalibrasikan daya sumber cahaya untuk mendapatkan responsivitas terahertz perangkat berbasis GNM kami. Responsivitas perangkat r-GNM dengan lebat leher 60 nm ditemukan sebesar 12 mA/W pada suhu ruangan.

Selanjutnya, uji citra sampel kunci berhasil direalisasikan dengan menempatkan sampel dalam sistem citra dual fokus sederhana. Karena batas pergerakan maksimum (25 mm × 25 mm) sistem nanoposisi, citra terahertz dari satu bagian diperoleh, seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 7, yang jelas menunjukkan profil sampel kunci. Selanjutnya, citra terahertz sampel kunci diselesaikan dengan memindai berkelanjutan 50 × 50 titik dengan waktu total sekitar 75 s, di mana waktu respons untuk satu deteksi kurang dari 20 ms. Karya ini menunjukkan bahwa perangkat r-GNM kami dapat digunakan sebagai detektor terahertz untuk citra yang akurat dan cepat dari sampel makroskopis.

Perbandingan kunci logam antara a citra optik dan b citra terahertz

Kesimpulan

Ringkasnya, top-gated FET yang menggunakan array seragam r-GNM dan c-GNM terurut dengan lebat leher yang berbeda berhasil diproses dengan EBL. Top-gated FET dibuat dengan GNM kontinu sebagai saluran konduktif. Pada suhu ruangan, pengukuran listrik dilakukan, yang menunjukkan bahwa perangkat dengan lebat leher GNM yang berbeda memiliki rasio I_on/I_off dan celah energi yang berbeda. Khususnya, perangkat yang berdasarkan r-GNM dengan lebat leher 30 nm ditemukan memiliki rasio I_on/I_off terbesar, sekitar 100, dan celah energi diperkirakan 0,23 eV. Meskipun arus perangkat berbasis c-GNM lebih besar daripada perangkat berbasis r-GNM, rasio arus I_on/I_off lebih kecil, yang mungkin disebabkan oleh kekasaran tepi yang lebih besar pada r-GNM. Selain itu, berdasarkan efek fotokonduktif, respons terahertz perangkat berbasis r-GNM diukur sebesar 10 mA/W. Untuk aplikasi praktis perangkat, eksperimen citra terahertz dilakukan pada suhu ruangan. Terlihat bahwa perangkat ini dapat diterapkan dalam citra yang akurat dan cepat dari sampel makroskopis.

Singkatan

c-GNM:

Nanomesh grafin lingkaran

EBL:

Litografi sinar elektron

FETs:

Transistor efek lapangan

GNM:

Nanomesh grafin

GNR:

Nanoribbon grafin

MIBK:

Metil isobutil keton

PECVD:

Depoisi uap kimia ditingkatkan plasma

PMMA:

Polimetil metakrit

r-GNM:

Nanomesh grafin persegi panjang