Modulator Terahertz Semua Optik Berkinerja Tinggi Berdasarkan Graphene/TiO2/Si Trilayer Heterojunctions
Abstrak
Dalam makalah ini, kami mendemonstrasikan modulator hybrid terahertz (THz) trilayer yang dibuat dengan menggabungkan substrat silikon (p-Si) tipe-p, TiO2 interlayer, dan graphene single-layer. Antarmuka antara Si dan TiO2 memperkenalkan medan listrik bawaan, yang menggerakkan fotoelektron dari Si ke TiO2 , dan kemudian elektron disuntikkan ke dalam lapisan graphene, menyebabkan tingkat Fermi graphene bergeser ke pita konduksi yang lebih tinggi. Konduktivitas graphene akan meningkat, mengakibatkan penurunan gelombang terahertz yang ditransmisikan. Dan modulasi transmisi terahertz terwujud. Kami mengamati modulasi broadband transmisi terahertz dalam rentang frekuensi dari 0,3 hingga 1,7 THz dan kedalaman modulasi besar 88% dengan eksitasi optik yang tepat. Hasilnya menunjukkan bahwa graphene/TiO2 /p-Si hibrida struktur nano menunjukkan potensi besar untuk aplikasi broadband terahertz, seperti pencitraan dan komunikasi terahertz.
Pengantar
Teknologi pencitraan Terahertz (THz) [1] dan teknologi komunikasi terahertz [2, 3] adalah dua arah penelitian utama di bidang THz. Dan modulator THz adalah komponen dasar dari teknologi, yang dapat memodulasi transmisi dan reflektifitas gelombang THz dengan memodulasi sinyal (cahaya, listrik, panas, dll) [4]. Banyak penelitian telah dilakukan pada modulator THz [5, 6], terutama berfokus pada bahan. Bahan semikonduktor, seperti Si dan Ge, telah digunakan untuk modulator THz. Tetapi kinerja modulasi tidak ideal, dan kedalaman modulasi tidak tinggi, sehingga banyak bahan baru telah diusulkan [7,8,9]. Bahan baru yang representatif adalah metamaterial. Modulator THz berkecepatan tinggi dapat diwujudkan dengan menggabungkan metamaterial dengan semikonduktor. Namun, bandwidth modulator berdasarkan metamaterial masih sangat sempit karena strukturnya yang tetap dan proses fabrikasi yang rumit [10, 11]. Bahan tipikal lainnya adalah bahan perubahan fasa, seperti VO2 . Pada suhu atau tegangan tertentu, VO2 dapat mengalami perubahan fase reversibel antara keadaan isolasi dan logam, dan sifat elektromagnetik berubah sesuai. Keadaan logam dapat menyebabkan redaman gelombang THz. Tetapi gelombang THz dapat dengan mudah menembus keadaan isolasi VO2 . Oleh karena itu, transmisi THz dapat dimodulasi dengan menerapkan eksitasi eksternal untuk membuat perubahan fasa VO2 . Tetapi modulator tersebut [12,13,14,15] didasarkan pada perubahan suhu, dan memiliki penurunan suhu yang lebih lambat, sehingga kecepatan modulasinya lambat.
Dalam beberapa tahun terakhir, graphene telah secara bertahap diterapkan pada teknologi THz karena sifat elektronik, optik, dan mekaniknya yang sangat baik [16,17,18,19]. Lee dkk. membuat modulator THz yang dikontrol secara elektrik dengan mengintegrasikan graphene dengan metamaterial [20]. Ketika sifat listrik dan optik graphene ditingkatkan oleh resonansi kuat atom logam, interaksi materi cahaya ditingkatkan, mewujudkan modulasi amplitudo gelombang terahertz transmisi sebesar 47% dan modulasi fase sebesar 32,2%. Pada tahun 2012, Sensale et al. menyiapkan modulator gelombang THz transistor efek medan berbasis graphene (GFET), sedangkan tegangan gerbang menyetel konsentrasi pembawa di graphene [21]. Namun, kedalaman modulasi dari modulator semacam ini [22,23,24] dangkal karena injeksi pembawa yang terbatas. Modulator THz graphene/n-Si disiapkan oleh Weis et al. memiliki kedalaman modulasi hingga 99% di bawah eksitasi laser pulsa femtosecond 808 nm [25]. Kemudian, modulator graphene/n-Si THz buatan Li et al. mencapai kedalaman modulasi 83% dengan eksitasi listrik dan optik simultan. Namun, ketika tidak ada medan listrik yang diterapkan, hanya cahaya yang ditambahkan, dan efek modulasi tidak terlalu baik [26]. Sebagai bahan semikonduktor berbiaya rendah, tidak beracun, dan stabil secara kimia, titanium dioksida (TiO2 ) telah menarik perhatian besar di bidang energi dan lingkungan. Ini tidak hanya digunakan untuk degradasi fotokatalitik polutan lingkungan, tetapi juga banyak digunakan dalam sel surya. Baru-baru ini, Tao et al. menyiapkan MoS2 film di TiO2 permukaan [27]. Antarmuka memperkenalkan medan listrik built-in yang kuat, yang meningkatkan pemisahan pasangan elektron-lubang, yang mengarah pada peningkatan sifat fotokatalitiknya. Pada tahun 2017, Cao dkk. membuat perovskite/TiO berperforma tinggi2 /Si fotodetektor [28]. Mereka mengaitkan peningkatan kinerja dengan peningkatan pemisahan dan pengurangan rekombinasi pembawa fotoeksitasi pada antarmuka antara Si dan perovskit dengan penyisipan TiO2 film. Di sini, sebuah graphene/TiO2 /p-Si modulator THz semua optik berstruktur nano telah dibuat. Perangkat yang kami rancang memiliki kedalaman modulasi besar maksimum 88% dalam rentang frekuensi dari 0,3 hingga 1,7 THz.
Metode
Si setebal 500 m (tipe-p, resistivitas ρ ~ 1–10 Ω cm) substrat secara berurutan dicuci dengan aseton, etanol, dan air deionisasi selama 20 menit dalam rendaman ultrasonik, dan kemudian direndam ke dalam larutan HF 4,6 M selama 10 menit untuk menghilangkan lapisan oksida asli di permukaan. Selanjutnya Si yang sudah dibersihkan dicelupkan ke dalam 0,1 M TiCl4 larutan berair pada 343 K selama 1 h untuk mendapatkan TiO setebal 10 nm2 film. Grafena monolayer ditanam pada tembaga dengan deposisi uap kimia [29]. Kemudian, graphene dipindahkan ke TiO2 film dengan menggunakan metode etsa basah [30] untuk membentuk graphene/TiO2 /p-Si heterostruktur. Seluruh area sampel adalah 1 cm
2
. Kualitas grafena dikarakterisasi dengan spektroskopi Raman. Spektrum serapan diukur dengan spektrofotometer UV-tampak (Shimadzu, UV-3600). Pengukuran ultraviolet photoemission spectroscopy (UPS) (Thermo Scientific, Escalab 250Xi) dilakukan untuk mendapatkan struktur pita energi. Modulasi statis dievaluasi oleh sistem domain waktu Fico THz (Zomega Terahertz Corporation).
Hasil dan Diskusi
Struktur graphene/TiO2 all-optik2 /p-Si Modulator THz digambarkan secara skematis pada Gambar. 1a. Gelombang THz dan laser secara bersamaan datang dari sisi graphene. Laser semikonduktor pada panjang gelombang 808 nm, diameter titik ~ 5 mm, dan daya dari 0 hingga 1400 mW diterapkan sebagai sinyal modulasi. Sinar THz (~ 3 mm) dapat ditumpang tindih dengan sinar laser. Dan gelombang THz yang ditransmisikan diukur dengan sistem THz-TDS pada kekuatan laser yang berbeda. Karena kinerja modulator grafena relevan dengan kualitas grafena, kami mengevaluasi kualitas grafena yang ditransfer pada Si dan TiO2 /p-Si substrat dengan spektroskopi Raman dengan laser panjang gelombang 514-nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b. Jelas bahwa puncak G dan puncak 2D dari graphene pada p-Si berada pada ~ 1580 cm
−1
dan 2681 cm
−1
, masing-masing. Untuk graphene pada TiO2 /p-Si, puncak G diposisikan pada ~ 1575 cm
−1
dan puncak 2D diposisikan pada ~ 2667 cm
−1
. Dibandingkan dengan spektrum Raman graphene pada silikon, puncak G dan 2D graphene pada TiO2 /p-Si bergeser ke kiri karena tegangan pada graphene yang disebabkan oleh penyisipan TiO2 . Selain itu, puncak D lemah untuk kedua graphene pada Si dan TiO2 /p-Si. Puncak 2D cocok untuk satu Lorentzian dan lebih dari dua kali tinggi puncak G untuk keduanya. Hasil Raman menunjukkan bahwa graphene tertransfer pada Si dan TiO2 /p-Si adalah graphene monolayer dengan kualitas tinggi [31].
Desain eksperimental dan spektrum Raman dari graphene. a Skema modulator THz semua-optik. Modulator terdiri dari graphene single-layer pada substrat p-Si dengan TiO2 film. b Spektrum Raman dari graphene pada Si dan TiO2 /p-Si substrat
Gambar 2a–c menunjukkan transmisi gelombang THz dari Si, graphene/Si, dan graphene/TiO2 /Si pada daya laser yang berbeda, masing-masing, yang diukur dengan sistem domain waktu Fico THz. Tanpa fotoeksitasi, Si, graphene/Si, dan graphene/TiO2 /p-Si menunjukkan transmisi moderat ~ 55% dari gelombang THz karena penyerapan parsial dan refleksi dari pembawa karena Si didoping-p. Dan transmisi tanpa fotoeksitasi tidak memiliki perbedaan mencolok untuk semuanya, menunjukkan TiO2 dan graphene tidak melemahkan gelombang THz ketika tidak ada fotoeksitasi. Oleh karena itu, tidak ada kerugian penyisipan tambahan yang disebabkan oleh TiO2 dan grafena. Ketika kekuatan laser 808-nm meningkat dari 0 menjadi 1400 mW, transmisi menurun dalam kisaran 0,3 THz hingga 1,7 THz untuk Si, graphene/p-Si, dan graphene/TiO2 /p-Si. Ketika disinari oleh laser dengan energi lebih besar dari celah pita Si, elektron akan tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi. Pasangan elektron-hole yang tereksitasi akan terbentuk di permukaan, menghasilkan peningkatan konduktivitas. Dan absorbansi THz dan reflektifitas semikonduktor bergantung pada perubahan konduktivitas. Oleh karena itu, ketika gelombang THz menembus Si yang disinari laser, intensitas gelombang THz yang ditransmisikan akan berkurang. Terlebih lagi, jumlah pasangan lubang elektron yang dihasilkan oleh Si di bawah penyinaran laser 808 nm akan meningkat seiring dengan peningkatan daya laser. Dan peningkatan konduktivitas Si akan mengakibatkan redaman gelombang THz yang ditransmisikan. Pada Gambar. 2b, transmisi graphene/Si menurun secara signifikan dengan peningkatan daya laser daripada silikon. Ketika laser disinari ke graphene/Si, penyerapan optik di Si jauh lebih tinggi daripada di graphene, sehingga jumlah pembawa yang dihasilkan di Si jauh lebih besar daripada di graphene. Pembawa bebas akan berdifusi dari silikon ke graphene di bawah aksi gradien konsentrasi. Grafena memiliki mobilitas pembawa yang lebih tinggi dan karena itu mengalami perubahan konduktivitas yang lebih besar daripada Si. Sementara absorbansi dan reflektifitas THz bergantung pada perubahan konduktivitas, kinerja modulasi graphene/p-Si ditingkatkan dibandingkan dengan Si. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, penurunan transmisi graphene/TiO2 /p-Si tiba-tiba pada kekuatan laser 200 mW dan 400 mW. Ketika daya laser terus meningkat, penurunan transmisi menjadi lebih ringan. Sementara daya laser yang diterapkan adalah 1400 mW, transmisi THz turun menjadi sekitar 10% dalam kisaran 0,3 THz hingga 1,7 THz. Kedalaman modulasi dapat dihitung dengan (Ttidak ada eksitasi Tkegembiraan )/Ttidak ada eksitasi , di mana Ttidak ada eksitasi dan Tkegembiraan mewakili intensitas transmisi THz tanpa dan dengan fotoeksitasi, masing-masing. Untuk mengungkapkan kinerja modulasi statisnya secara lebih intuitif, kami memplot kedalaman modulasi sebagai fungsi daya laser untuk Si, graphene/Si, dan graphene/TiO2 /p-Si, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d. Kedalaman modulasi graphene/Si lebih tinggi dari pada Si, sedangkan kedalaman modulasi graphene/TiO2 /p-Si lebih tinggi dari graphene/p-Si. Kedalaman modulasi dari semuanya meningkat dengan meningkatnya kekuatan laser. Saat disinari dengan 200 mW, kedalaman modulasi graphene/TiO2 /p-Si adalah ~ 33%, sekitar 6 kali lebih tinggi dari Si, 2,5 kali dari graphene/Si, dan lebih tinggi dari modulator THz berdasarkan transistor efek medan graphene [21]. Kedalaman modulasi graphene/TiO2 /p-Si dapat mencapai 88% setelah dipompa oleh laser 808-nm dengan kekuatan 1400 mW, lebih tinggi dari modulator berbasis graphene dengan eksitasi listrik dan optik simultan [26]. Oleh karena itu, dari pengujian statik dapat diambil kesimpulan bahwa modulator berperforma tinggi dengan broadband dan kedalaman modulasi yang besar.
Tes modulasi. Spektrum transmitansi dari a Si, b graphene/p-Si, dan c graphene/TiO2 /p-Si pada daya laser yang berbeda. d Kedalaman modulasi sebagai fungsi daya laser untuk Si, graphene/Si, dan graphene/TiO2 /p-Si modulator
Untuk mendapatkan diagram pita energi graphene/TiO2 /Si modulator, kami membuat spektrofotometer UV-tampak dan pengukuran UPS, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Berdasarkan Gambar. 3a, kami dapat menghitung bahwa celah pita Si dan TiO2 adalah 1,19 dan 2,98 eV, masing-masing. Gambar 3b menunjukkan pengukuran UPS pada Si, TiO2 , grafena, dan Au. Untuk mengkonfirmasi posisi level Fermi meter, kami melakukan pengukuran UPS pada Au [32]. Dan Gambar 3 c dan d adalah bagian yang diperbesar dari Gambar 3b. Dari Gbr. 3c, elektron sekunder dari spektrum adalah 16,33, 16,97, 16,43, dan 17,11 eV untuk Si, TiO2 , graphene, dan Au, masing-masing. Oleh karena itu, posisi level Fermi meter adalah 0,98 eV dan fungsi kerja Si, TiO2, dan graphene dihitung menjadi 5,85, 5,21, dan 5,75 eV, masing-masing. Berdasarkan Gambar 3(d), nilai pita valensi maksimum Si dan TiO2 terletak di 1,48 dan 2,86 eV. Tingkat pita valensi Si dan TiO2 dihitung menjadi 6.35 dan 7.09 eV. Menggabungkan celah pita Si dan TiO2 , kita bisa mendapatkan tingkat pita konduksi Si dan TiO2 , yaitu 5.16 dan 4.11 eV.
Spektrum serapan dan spektrum UPS. a Spektrum serapan Si dan TiO2 /Si. b Spektrum UPS Si, TiO2 , grafena, dan Au. c Bagian b . yang diperbesar menunjukkan permulaan elektron sekunder. d Bagian b . yang diperbesar menunjukkan pita valensi maksimum
Berdasarkan hasil di atas, diagram pita energi dari graphene/TiO2 /Si heterojunction diilustrasikan pada Gambar. 4. Ec , Ev , dan EF menunjukkan energi pita konduksi, energi pita valensi, dan energi tingkat Fermi, masing-masing. TiO2 bersentuhan langsung dengan p-Si, dan elektron di TiO2 bergabung kembali dengan lubang di p-Si, menghasilkan lapisan penipisan pada antarmuka. Sejak TiO2 adalah tipe-n “lebih lemah”, lebar penipisan di TiO2 lebih besar dari pada Si. Mempertimbangkan TiO2 film sangat tipis (~ 10 nm), keadaan habis sepenuhnya akan muncul di TiO2 lapisan. Ketika graphene dipindahkan pada TiO2 /Si, tidak ada kelebihan elektron pada TiO2 untuk bermigrasi ke graphene. Oleh karena itu, tidak akan ada lapisan akumulasi pembawa dalam keadaan gelap, dan THz menunjukkan transmisi tinggi, yang konsisten dengan hasil pada Gambar 2b. Ketika graphene/TiO2 /p-Si heterojunction difotoeksitasi oleh laser 808-nm, jumlah pasangan lubang elektron yang dihasilkan di Si jauh lebih besar daripada di graphene dan TiO2 . Setelah fotoeksitasi, tingkat Fermi dari Si naik pada TiO2 /p-Si antarmuka. Terlebih lagi, elektron bergerak menuju TiO2 dan lubang ke arah Si karena efek medan listrik bawaan. Adanya TiO2 meningkatkan pemisahan pembawa fotoeksitasi dalam Si, membentuk lapisan konduktif tipe-n di TiO tipis2 lapisan, menghalangi transmisi gelombang THz. Sebagai TiO2 lapisan relatif tipis, efek pada transmisi THz sedikit kurang. Setelah mentransfer graphene pada TiO2 /p-Si, sejumlah besar elektron di TiO2 akan disuntikkan ke graphene, yang menggeser level Fermi ke pita konduksi yang lebih tinggi. Sementara itu, konduktivitas graphene meningkat, menyebabkan redaman gelombang THz yang lebih tinggi. Dengan demikian, kedalaman modulasi tinggi terwujud.
Skema pita dari graphene/TiO2 /Si heterojungsi
Kesimpulan
Singkatnya, kami telah berhasil membuat graphene/TiO semua-optik berkinerja tinggi2 /p-Si modulator terahertz. Modulator menunjukkan broadband mulai dari 0,3 hingga 1,7 THz, dengan kedalaman modulasi 88%. Penyisipan TiO2 film memperkenalkan persimpangan PN dengan p-Si, dan medan listrik bawaan meningkatkan pemisahan pembawa fotoeksitasi di Si. Fotoelektron berpindah dari Si ke TiO2 , dan kemudian disuntikkan ke dalam lapisan graphene, menyebabkan tingkat Fermi graphene bergeser ke pita konduksi yang lebih tinggi. Oleh karena itu, modulasi transmisi THz dapat direalisasikan karena peningkatan konduktivitas dalam graphene. Perangkat ini juga sangat mudah dibuat dan murah. Tidak perlu mendepositkan elektroda, dan TiO2 film dapat dibuat dengan metode larutan kimia. Terlebih lagi, laser yang kami gunakan adalah laser semikonduktor, belum tentu laser pulsa femtosecond yang mahal sebagai sinyal modulasi.
