Fabrikasi Area Besar, Nanomeshe Grafena Seragam untuk Deteksi Terahertz Langsung Berkecepatan Tinggi pada Suhu Ruangan

Hasil dan Diskusi

Sebuah ilustrasi skema dari detektor terahertz fabrikasi berdasarkan c-GNM digambarkan pada Gambar. 2a. Elektroda sumber dan saluran pembuangan diendapkan pada SiO₂ /Si substrat dengan graphene lapisan tunggal yang dipotong dari c-GNM. Struktur geometris khas c-GNM ditunjukkan pada Gambar. 2b. GNM area besar terus menerus dengan panjang 20 m dan lebar 60 m digunakan sebagai saluran. Karena graphene adalah satu lapisan struktur atom, untuk mengurangi kerusakan dalam produksi lapisan oksida, kami memilih silikon nitrida (Si₃ N₄ ) proses PECVD suhu rendah untuk membuat lapisan dielektrik. Keuntungan tambahan dari isolator silikon nitrida atas silikon oksida untuk perangkat graphene adalah frekuensi fonon optik polar permukaannya yang lebih tinggi 110 versus 56 meV untuk silikon oksida, yang seharusnya mengurangi pentingnya hamburan fonon inelastis jarak jauh di saluran graphene [30]. Untuk menyelidiki lebih lanjut perangkat dengan struktur nano yang berbeda, detektor terahertz berbasis r-GNR juga disiapkan, dan ilustrasi skema diberikan pada Gambar. 2c. “A ” pada Gambar 2b, d adalah nilai lebar leher, yang didefinisikan sebagai jarak minimum antara lubang nano yang paling berdekatan, yang merupakan parameter paling kritis dalam GNM.

a Ilustrasi skema dari detektor terahertz fabrikasi berdasarkan c-GNM. b Skema struktural c-GNM, di mana W adalah lebar leher. c Ilustrasi skema dari detektor terahertz fabrikasi berdasarkan r-GNM. d Skema struktural r-GNM

Pengukuran listrik dilakukan pada suhu kamar untuk mendapatkan wawasan lebih lanjut tentang efek lebar leher di GNM kami pada kinerja detektor. Di sini, empat susunan r-GNM dan c-GNM dengan lebar leher masing-masing 30, 40, 50, dan 60 nm, dipola oleh EBL. Gambar 3a menyajikan gambar SEM dari r-GNM dengan berbagai lebar leher. Gambar 3b mengilustrasikan c-GNM dengan berbagai lebar leher. Dalam pekerjaan ini, lebar leher GNM konsisten dengan desain tata letak dengan mengontrol waktu etsa dan kekuatan etsa. Selama pemfokusan foto SEM, elektron pemindaian memiliki efek tertentu pada graphene, yang mengarah pada perbedaan warna gambar SEM graphene, tetapi morfologi mesh dan ukuran graphene nanomesh tidak akan terpengaruh. Seperti yang ditunjukkan oleh gambar ini dengan jelas, baik array c-GNM dan array r-GNM dapat dibuat secara seragam dalam skala besar menggunakan EBL.

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

Untuk menyelidiki sifat elektronik GNM, perangkat FET berdasarkan GNM dengan lebar leher masing-masing 30, 40, 50, dan 60 nm dibuat. Sampai batas tertentu, GNM dapat dianggap sebagai jaringan GNR yang sangat saling berhubungan, dan pekerjaan teoretis dan eksperimental telah menunjukkan bahwa ukuran celah pita konduksi berbanding terbalik dengan lebar pita. Artinya, lebar leher yang lebih sempit akan mendapatkan energi celah pita yang cukup untuk respons gerbang yang cukup dan rasio on-off, dan struktur mesh yang lebih padat dapat memungkinkan pengiriman arus yang lebih tinggi [25].

Gambar 4a menunjukkan karakteristik transfer pada V _ds = 2 V untuk perangkat berdasarkan c-GNM dengan lebar leher berbeda 30, 40, 50, dan 60 nm, dari mana kita dapat menentukan I yang sesuai _pada /Aku _nonaktif rasio ~ 40, ~ 25, ~ 5, dan ~ 4, masing-masing. Karakteristik transfer untuk perangkat berdasarkan r-GNM dengan lebar leher yang berbeda dari 30, 40, 50, dan 60 nm disajikan pada Gambar. 4b. Membandingkan Gambar. 4a, b, kita dapat melihat bahwa arus konduksi c-GNM jauh lebih besar daripada r-GNM (sekitar dua kali). Sebagai hasil dari GNM dapat dilihat sebagai struktur jaringan interkoneksi graphene, area aktual c-GNM memberikan arus lebih besar dari r-GNM, ini menyebabkan arus c-GNM lebih besar dari r-GNM di bawah kondisi yang sama. Selain itu, Saya _pada /Aku _nonaktif rasio r-GNM dengan lebar leher berbeda 30, 40, 50, dan 60 nm yang diperoleh berturut-turut adalah ~ 100, ~ 25, ~ 8, dan ~ 3, menunjukkan bahwa I _pada /Aku _nonaktif rasio perangkat berbasis GNM dapat dengan mudah disetel dengan memvariasikan lebar leher, yang memainkan peran penting dalam sifat transportasi muatan. Diamati bahwa perangkat berbasis GNM dalam surat ini memiliki I . yang lebih tinggi _pada /Aku _nonaktif rasio dari banyak perangkat berbasis GNR lainnya dengan lebar yang lebih kecil [17]. Karena GNM dapat dianggap sebagai jaringan GNR yang saling berhubungan, pembangkitan celah pita juga disebabkan oleh beberapa faktor, termasuk kurungan kuantum lateral [31] dalam arah transmisi dan blokade Coulomb [32] yang dihasilkan dari cacat tepi atau kekasaran [33]. Aku . yang begitu besar _pada /Aku _nonaktif rasio arus dapat dihasilkan dari efek saluran panjang:struktur bersih GNM meningkatkan saluran konduksi perangkat, batas lubang nano internal meningkatkan kurungan kuantum [34], dan efek lokalisasi disebabkan oleh cacat tepi, seperti tepi gangguan [35] dan/atau spesies yang diserap pada karbon yang menjuntai π -ikatan di lubang nano internal [36, 37]. Batas internal r-GNM jauh lebih besar daripada c-GNM karena geometri yang berbeda. Selain itu, tepi melingkar c-GNM memiliki lebih banyak cacat, membuat kurungan kuantum lateral lebih luar biasa untuk meningkatkan celah pita. Ini juga dapat menjelaskan mengapa saya _pada /Aku _nonaktif rasio saat ini dari r-GNM lebih besar dari c-GNM. Dari Gambar 4a, b, ditentukan bahwa perangkat berdasarkan r-GNM dan c-GNM menunjukkan konduktansi yang jelas dengan nilai minimum yang sesuai dengan titik Dirac sekitar  − 5 V. Tegangan ambang diperoleh dengan menggunakan tegangan pada waktu konduksi dikurangi tegangan titik netral. Dari Gambar 4a, b, kita dapat melihat bahwa tegangan ambang perangkat adalah sekitar 15 V untuk c-GNM dan r-GMN ukuran 30-nm. Konduktivitas homolog yang diperoleh ditampilkan pada Gambar. 4c. Elektroda perangkat dibuat langsung pada graphene asli. Hanya graphene antara saluran yang dibuat menjadi nanomesh, dan resistansi kontak antara elektroda logam dan bagian bawah graphene semimetal murni relatif kecil. Resistansi saluran terutama merupakan resistansi graphene nanomesh. Karena rasio tugas area yang lebih besar pada area yang sama dari saluran konduktif, konduktivitas perangkat berbasis c-GNM ditemukan lebih tinggi daripada perangkat berbasis r-GNM. Dibandingkan dengan GNR [38] atau GNM lain [39] yang dilaporkan sebelumnya, sampel c-GNM dan r-GNM kami dapat memberikan arus yang lebih tinggi karena areanya yang luas dan ukurannya yang seragam.

Karakteristik transfer (I _ds V _g ) perangkat berdasarkan a c-GNM dan b r-GNM dengan lebar berbeda di V _ds = 2 V. V _Ka (nilai tegangan konduksi dikurangi nilai tegangan titik netral) perangkat 30 nm adalah sekitar 15 V. c Konduktivitas versus lebar leher untuk r-GNM (hitam) dan c-GNM (merah)

Gambar 5a menunjukkan diagram pita energi skematis untuk GNR dengan elektroda sumber dan saluran pembuangan. Level source dan drain masing-masing mendekati tepi pita konduksi dan valensi, dengan peningkatan tegangan source-drain (V _DS ). Ketika tepi pita konduksi (valensi) jatuh ke jendela bias antara elektroda sumber dan saluran pembuangan, elektron (lubang) disuntikkan dari sumber (penguras), dan arus I meningkat tajam. Tegangan gerbang menyesuaikan posisi celah relatif terhadap tingkat sumber-penguras. Kurva I _DS versus V _DS di V _GS bias di dekat tegangan netral muatan untuk r-GNM dan c-GNM dengan lebar leher 30 dan 40 nm diilustrasikan pada Gambar. 5b, c, yang dengan jelas menunjukkan daerah "hidup" dan "matikan", tergantung pada lokasi tingkat Fermi. Dengan peningkatan lebar leher GNM, ukuran jendela konduktansi rendah menurun. Untuk r-GNM dengan lebar 30 dan 40 nm, celah energi diperkirakan masing-masing 0,23 dan 0,17 eV (Gbr. 5b). Gambar 5c mengilustrasikan celah pita energi menjadi 0,19 dan 0,16 eV untuk c-GNM dengan lebar masing-masing 30 dan 40 nm. Nilai-nilai ini menunjukkan bahwa celah pita berbanding terbalik dengan lebar leher saluran GNM, dan adanya lebih banyak cacat tepi pada r-GNM dapat meningkatkan celah pita [23].

a Diagram pita energi skema untuk GNR dengan elektroda sumber dan saluran. Kurva I _DS versus V _DS di V _GS bias di dekat tegangan netral muatan untuk b r-GNM dan c c-GNM

Selain itu, sifat optoelektronik perangkat r-GNM diselidiki oleh sistem optik yang disajikan pada Gambar. 6a untuk melakukan tes arus foto untuk r-GNM. Dalam sistem, sumber benda hitam dengan filter band-pass 3-THz digunakan untuk menghasilkan radiasi terahertz, dan kami mengukur a.c. amplitudo arus foto yang diperoleh dengan menggunakan penguat pengunci yang mengacu pada frekuensi pencacahan. Amplitudo arus foto ditemukan hampir nol tanpa menerapkan tegangan bias sumber-drain. Karena kontak langsung elektroda logam dan graphene, arus foto pembawa foto yang dihasilkan oleh radiasi relatif lemah dan saling berlawanan, menghasilkan arus foto eksternal hampir nol.

a Diagram skema setup percobaan uji terahertz. b Kurva arus foto I _Ph versus lebar leher r-GNM

Selain itu, pasangan elektron-lubang yang dihasilkan di GNM biasanya akan bergabung kembali dalam waktu yang sangat singkat, tidak memiliki kontribusi terhadap arus foto. Oleh karena itu, arus foto deteksi ada dengan tegangan eksternal untuk memisahkan pasangan elektron-lubang fotogenerasi sebelum mereka digabungkan kembali. Dalam penyelidikan yang dilaporkan di sini, tegangan sumber-penguras 0,2 V diterapkan, dan arus foto 0,28, 0,32, 0,4, dan 0,93 nA diperoleh di bawah radiasi 3 THz, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6b, sesuai dengan perangkat r-GNM yang berbeda dengan lebar leher masing-masing 30, 40, 50, dan 60 nm. Khususnya, arus foto meningkat tajam menjadi 0,93 dari 0,4 nA. Seperti dilaporkan sebelumnya, tingkat penyerapan graphene dalam cahaya tampak sekitar 2,3%, yang dapat dianggap sebagai efek termoelektrik [40]. Sementara di bawah iradiasi gelombang elektromagnetik dengan energi di bawah IR, pemanasan termal graphene yang disebabkan oleh penyerapan laser ditemukan mengurangi konduktivitas graphene, yang berkontribusi pada alasan mengapa efek termal dikeluarkan sebagai penyebab peningkatan arus foto graphene saat diterangi. . Efek fotokonduktif berarti bahwa ketika energi foton insiden cocok dengan celah energi GNM, celah energi dapat menyebabkan peningkatan pemisahan eksitasi yang diinduksi foton dan efisiensi ekstraksi pembawa yang lebih tinggi sehingga nilai arus foto meningkat tajam pada lebar leher 60 nm.

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

Selanjutnya, uji pencitraan sampel kunci berhasil diwujudkan dengan menempatkan sampel dalam sistem pencitraan fokus ganda sederhana. Karena batas gerakan maksimum (25 mm × 25 mm) dari sistem penentuan posisi nano, gambar terahertz dari satu bagian diperoleh, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 7, dengan jelas menunjukkan profil sampel kunci. Selanjutnya, gambar terahertz dari sampel kunci diselesaikan dengan terus menerus memindai 50 × 50 titik dengan total waktu sekitar 75 detik, di mana waktu respons untuk satu deteksi tunggal kurang dari 20 ms. Karya ini menunjukkan bahwa perangkat r-GNM kami dapat digunakan sebagai detektor terahertz untuk pencitraan sampel makroskopik yang akurat dan cepat.

Perbandingan kunci logam antara a gambar optik dan b gambar terahertz