Modulator Terahertz All-Optical Berkinerja Tinggi Menggunakan Heterojuntung Trilayer Graphene/TiO₂/p-Si

Abstrak

Kami menyajikan modulator terahertz (THz) trilayer yang mengintegrasikan substrat silikon tipe p (p-Si), lapisan antar TiO₂ tipis, dan lapisan graphene tunggal. Antarmuka Si/TiO₂ menciptakan medan listrik bawaan yang menggerakkan elektron yang dihasilkan foto dari Si ke TiO₂, dan kemudian menyuntikkan mereka ke dalam graphene. Transfer elektron ini meningkatkan tingkat Fermi graphene, meningkatkan konduktivitasnya, dan akibatnya meredam radiasi THz yang ditransmisikan. Perangkat mencapai modulasi lebar band di seluruh 0,3–1,7 THz dengan kedalaman maksimum 88 % di bawah eksitasi laser 808 nm. Hasil ini menunjukkan janji heterostruktur graphene/TiO₂/p-Si untuk sistem citra dan komunikasi terahertz generasi berikut.

Pendahuluan

Citra dan komunikasi terahertz (THz) adalah bidang yang berkembang pesat yang bergantung pada modulator yang efisien untuk mengontrol transmisi dan refleksi gelombang. Modulator semiconductor tradisional berdasarkan Si atau Ge seringkali tidak memadai dalam kedalaman modulasi, mendorong eksplorasi bahan baru seperti metamaterial dan media perubahan fase seperti VO₂. Sementara perangkat berbasis metamaterial menawarkan kecepatan tinggi, lebar band sempit dan pembuatan yang kompleks membatasi praktisnya. Modulator VO₂, yang didorong oleh transisi fase yang diinduksi suhu atau tegangan, menderita dinamika suhu yang lambat.

Graphene, dengan mobilitas pembawa luar biasa, konduktivitas yang dapat disesuaikan, dan ketahanan mekanis, telah muncul sebagai platform serbaguna untuk modulasi THz. Modulator graphene yang dikontrol secara listrik awal digabungkan dengan metamaterial mencapai hingga 47 % amplitudo dan 32 % modulasi fase. Namun, modulator graphene berbasis transistor efek medan dibatasi oleh injeksi pembawa yang modest. Modulator graphene/n-Si terbaru mencapai modulasi hampir unitas (99 %) di bawah pompa laser femtosekon, namun membutuhkan medan listrik eksternal untuk performa optimal.

TiO₂, oksida murah dan stabil kimia, telah terbukti efektif dalam meningkatkan pemisahan muatan di antarmuka semiconductor, seperti yang ditunjukkan dalam detektor MoS₂/TiO₂ dan perovskite/TiO₂/Si. Memanfaatkan medan bawaan TiO₂ untuk meningkatkan ekstraksi pembawa, kami membuat heterostruktur graphene/TiO₂/p-Si yang memberikan kedalaman modulasi THz lebar band 88 % dari 0,3 hingga 1,7 THz menggunakan laser semiconductor 808 nm sederhana.

Metode

Wafer p-Si tebal 500 mikron (ρ ≈ 1–10 Ω·cm) diomik secara berurutan dalam aseton, etanol, dan air deionisasi, lalu di-etc dalam HF 4,6 M selama 10 menit untuk menghilangkan oksida asli. Film TiO₂ 10 nm ditumbuhkan dengan merendam Si yang dibersihkan dalam TiCl₄ 0,1 M pada 343 K selama 1 jam. Grafin tunggal disintesis pada tembaga melalui deposisi kimia uap dan ditransfer ke TiO₂ dengan metode ets basah, membentuk tumpukan graphene/TiO₂/p-Si 1 cm². Spektroskopi Raman mengonfirmasi kualitas tunggal (G pada ~1580 cm⁻¹, 2D pada ~2681 cm⁻¹). Serapan UV-vis dan spektroskopi fotoemisi ultraviole (UPS) mengkarakterisasi jarak optik dan perataan band. Modulasi THz statis diukur dengan sistem waktu-domain THz Fico (Zomega Terahertz Corp.).

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1a mengilustrasikan geometri perangkat: laser semiconductor 808 nm (spot ~5 mm) dan sinar THz ~3 mm menerangi sisi graphene secara bersamaan. Daya laser bervariasi dari 0 hingga 1,4 kW cm⁻². Spektra Raman (Gambar 1b) menunjukkan pergeseran kecil puncak G dan 2D ketika graphene berada pada TiO₂, menunjukkan regangan ringan tetapi mempertahankan integritas tunggal.

Gambar 2a–c menampilkan transmitansi THz dari Si polos, graphene/Si, dan graphene/TiO₂/Si di bawah daya laser yang meningkat. Tanpa fotoeksitasi, semua sampel mentransmisikan ~55 % energi THz; TiO₂ dan graphene memperkenalkan kerugian yang tidak signifikan. Saat diiluminasi, transmitansi menurun di seluruh 0,3–1,7 THz karena konduktivitas yang ditingkatkan dari pembawa yang dihasilkan foto. Perangkat graphene/Si menunjukkan penurunan yang lebih tajam dibandingkan Si saja karena pembawa yang mencuri ke dalam graphene dengan mobilitas tinggi memperkuat perubahan konduktivitas. Struktur graphene/TiO₂/Si menunjukkan redaman yang paling mencolok: pada 1400 mW, transmitansi turun menjadi ~10 %, menghasilkan kedalaman modulasi 88 %. Kedalaman modulasi (ΔT = (T₀ – T)/T₀) versus daya laser divisualisasikan pada Gambar 2d, mengonfirmasi bahwa lapisan TiO₂ memperkuat pemisahan pembawa dan injeksi ke dalam graphene.

Pengukuran tepi band (Gambar 3) mengungkapkan jarak Si dan TiO₂ masing-masing 1,19 dan 2,98 eV. Data UPS memberikan fungsi kerja 5,85 eV (Si), 5,21 eV (TiO₂), dan 5,75 eV (grafin), dan maksimum valensi band pada –6,35 eV (Si) dan –7,09 eV (TiO₂). Diagram band yang dihasilkan (Gambar 4) menunjukkan lapisan TiO₂ 10 nm yang sepenuhnya deplasi yang membentuk saluran konduktif tipe-n di bawah iluminasi, menggerakkan elektron ke dalam grafin dan menggeser tingkat Fermi ke atas. Proses ini meningkatkan konduktivitas grafin dan meningkatkan penyerapan THz.

Secara keseluruhan, heterostruktur trilayer ini mencapai modulasi THz berkecepatan tinggi dan lebar band dengan skema all-optical sederhana, menghindari penyetelan elektroda yang kompleks dan pompa laser femtosekon.

Kesimpulan

Kami telah membuat modulator terahertz all-optical berbiaya rendah berdasarkan heterojuntung trilayer graphene/TiO₂/p-Si. Perangkat menawarkan kedalaman modulasi 88 % pada 0,3–1,7 THz, didorong oleh laser semiconductor 808 nm. Lapisan antar TiO₂ menciptakan juncaksi p-Si yang meningkatkan pemisahan pembawa; fotoelektron bermigrasi ke TiO₂ dan kemudian ke dalam grafin, meningkatkan tingkat Fermi dan konduktivitasnya, sehingga meredam transmisi THz. Pembuatan ets basah yang sederhana dan kehilangan elektroda membuat arsitektur ini menarik untuk aplikasi citra dan komunikasi THz yang dapat diskalakan.

Singkatan

p‑Si:

Silikon tipe p

THz:

Terahertz

UPS:

Spektroskopi fotoemisi ultraviole