Pengendalian Transmisi Terahertz dan Infra-Merah Dekat pada Grafit Interkalasi FeCl₃ dan Tipis Film WS₂ untuk Aplikasi THz-TDS Lanjutan

Abstrak

Spektroskopi domain waktu terahertz (THz-TDS) dengan cepat menjadi teknik dasar dalam evaluasi non-destruktif, biomedis, dan komunikasi aman. Namun, pengembangan komponen yang kuat pada suhu kamar yang dapat menghasilkan, mendeteksi, memfilter, dan memodulasi radiasi THz masih merupakan hambatan kritis. Dalam studi ini kami melaporkan respons optik dari dua sistem material dua dimensi (2D) yang diriset yang menunjukkan transmisi yang dapat disesuaikan di seluruh spektrum infra-merah dekat (NIR) dan terahertz (THz). Kami membuat grafit interkalasi klorida besi(III) (i-Grafit) pada kaca, safir, dan Kapton, serta tipis film sulfida tungsten (WS₂) yang berasal dari dispersi kristal cair (LC) pada Kapton dan polietilena tereftalat (PET). Dengan secara sistematis mengubah konsentrasi dopan, jumlah lapisan, dan jenis substrat, kami menunjukkan bahwa kedua keluarga material dapat diriset untuk memberikan performa transmisi tinggi dan kehilangan rendah dalam pita 0,1–2 THz sambil secara simultan meningkatkan transparansi NIR. Temuan ini membangun landasan untuk modulator, polarisator, dan gelombang THz generasi mendatang yang memanfaatkan fleksibilitas dan tunabilitas intrinsik material 2D.

Pendahuluan

THz-TDS, yang didorong oleh laser infra-merah dekat femtosekon, telah menarik perhatian signifikan karena kapasitasnya untuk sensasi non-invasif broadband di bidang yang berkisar dari ilmu material hingga diagnostik biomedis. Meski janjinya, teknologi ini masih menderita kekurangan komponen yang efisien, stabil, dan dapat diskalakan. Elemen THz tradisional—kristal nonlinier, semikonduktor organik, dan metamaterial—sering memerlukan operasi kriogenik atau langkah pembuatan yang kompleks. Sebaliknya, material 2D menawarkan jejak atomik tipis, mobilitas pembawa yang eksepsional, dan spektrum properti elektronik yang dapat disesuaikan yang dapat diriset melalui jumlah lapisan, dopan kimia, dan rekayasa substrat. Grafit dan turunannya, kalkogenida logam transisi (TMD) seperti MoS₂, WSe₂, dan WS₂, serta oksida berlapis telah menunjukkan konduktivitas THz yang mencolok, harmoni frekuensi tinggi, dan dinamika pembawa ultrafast. Untuk THz-TDS, material stabil pada suhu ambien adalah prioritas; oleh karena itu, kami berfokus pada sistem suhu kamar yang tidak memerlukan pendinginan kriogenik. Karya sebelumnya telah menyoroti grafit sebagai detektor, polarisator, dan modulator serbaguna, sementara WS₂ telah dieksplorasi sebagai emisor THz dan modulator yang dapat dituned secara magnetis. Aspek yang sering diabaikan adalah pengaruh substrat pendukung. Substrat transparan seperti polietilena kepadatan tinggi (HDPE), politetrafluoroetilena (PTFE), siklo-olefin kopolimero (Topas), Kapton, dan PET secara rutin digunakan dalam optik THz karena penyerapan rendah di seluruh 0,1–2 THz. Namun, setiap substrat berinteraksi secara berbeda dengan lapisan 2D di atasnya, mengubah dopan elektronik, regangan, dan pencaran antarmuka. Memahami efek terpadu ini penting saat merakit perangkat yang menggabungkan material 2D dengan optik THz konvensional. Di sini kami mengkaji grafit interkalasi FeCl₃ pada kaca, safir, dan Kapton, sistem yang belum pernah dipelajari sebelumnya di domain NIR dan THz. Secara paralel, kami membuat film WS₂ dari dispersi fase LC dan mentransfernya ke Kapton dan PET. Dengan mengontrol tingkat dopan, ketebalan lapisan, dan pilihan substrat, kami menunjukkan modulasi yang tepat dari transmisi di kedua regime spektral, sehingga memungkinkan pengembangan modulator THz berkinerja tinggi dan komponen lainnya.

Metode Eksperimental

Pembuatan Sampel

Gambar 1a menunjukkan skematis struktur berlapis yang ditinjau. Lapisan grafit (grafit lapis tunggal—SLG; grafit beberapa lapis—FLG, 5–6 lapis atom; grafit multi-lapis—MLG, 50–60 lapis) disintesis melalui depoersi uap kimia (CVD) pada substrat tembaga atau nikel, menggunakan metana sebagai precursor karbon. FLG dan MLG kemudian diinterkalasi dengan uap FeCl₃ dalam furnace tiga zona, menghasilkan i-FLG dan i-MLG. Lembar yang diinterkalasi ditransfer ke kaca (1 mm), safir (0,8 mm), dan Kapton (0,125 mm) dengan pertama melapisi dengan polymetilmetakrilat (PMMA), mencoret katalis logam dengan klorida besi konsentrat, dan akhirnya melarutkan PMMA dalam aseton. Film yang diinterkalasi telah difungsikan secara luas dalam karya sebelumnya, mengonfirmasi kualitas kristal yang tinggi dan distribusi FeCl₃ yang seragam. Film WS₂ disiapkan dari dispersi fase LC. Bubuk WS₂ massal (Sigma-Aldrich 243639, ~ukuran µm) dispersi dalam isopropanol (IPA) pada 5 mg mL⁻¹, diikuti oleh 5 jam eksfoliasi ultrasonik dengan jeda 30 menit secara intermiten untuk mencegah overheating. Langkah sentrifugasi 2000 rpm, 10 menit menghilangkan partikel yang tidak eksfoliat. Supersnat disedot ulang secara vakum dan dispersi kembali dalam IPA pada 1, 5, dan 100 mg mL⁻¹. Konsentrasi akhir diverifikasi melalui pengukuran kepadatan optik. Pencetan titik (50 µL) pada Kapton menghasilkan dua film: WS₂ S (konsentrasi rendah, fraksi non-LC) dan WS₂ L (konsentrasi tinggi, fraksi LC). Untuk PET, metode transfer tipis film digunakan: 20 mL dispersi LC difilter pada membran PTFE, kemudian membran dibasahi dengan IPA dan dipanaskan ke 70 °C, memungkinkan film WS₂ untuk melonggar dan menempel pada substrat PET. Dua sampel PET dihasilkan: WS₂_LC (1 mg mL⁻¹) dan WS₂_HC (5 mg mL⁻¹). SEM dan citra AFM mengonfirmasi ukuran partikel lateral ~2,5 µm² dan ketebalan ~3,9 nm; ketebalan film keseluruhan berkisar dari 1 hingga 10 µm.

Spektroskopi Raman

Spektrum Raman direkam menggunakan spektrometer Renishaw dengan eksitasi 532 nm (0,1 mW) dan integrasi 10 detik. Teknik ini memungkinkan kami untuk menilai jumlah lapisan, dopan, dan densitas defek di seluruh sampel.

Spektroskopi Visibel dan IR

Transmisensi dalam rentang 190–1100 nm diukur dengan spectrophotometer Evolution-300, mencapai presisi panjang gelombang <0,05 nm dan akurasi fotometri 1 %.

Spektroskopi Terahertz

Kami menggunakan sistem THz-TDS buatan sendiri berdasarkan rectifikasi optik dalam kristal InAs dalam medan magnet 2,4 T. Oscilator femtosekon yang didoping Yb (1050 nm, 100 fs, 70 MHz) membagi sinyal menjadi jalur pomba dan probe; pompa menghasilkan pulsa THz (30 µW rata-rata, ~1,8 ps FWHM) yang menimpa sampel. Pulsa THz yang ditransmisikan diamati secara elektro-optik dalam kristal CdTe menggunakan detektor foton seimbang dan pengukuran lock-in. Data diambil pada beberapa titik per sampel dan dirata-ratakan; diameter sinar 3 mm memastikan iluminasi seragam. Transformasi Fourier dari jejak domain waktu menghasilkan spektrum transmisien domain frekuensi dari 0,2 hingga 1 THz.

Hasil dan Pembahasan

Analisis Raman (Gambar 2) mengonfirmasi kualitas kristal yang tinggi dari semua varian grafit; puncak G berada di antara 1582–1591 cm⁻¹, sementara puncak 2D menunjukkan pergeseran bergantung pada lapisan yang diharapkan. Grafit interkalasi menunjukkan pembagian puncak G yang berbeda (G₀, G₁, G₂) yang sesuai dengan status dopan FeCl₃ acak, satu lapis, dan dua lapis, masing-masing. Tidak ada intensitas pita D yang signifikan yang menunjukkan pengenalan defek yang dapat diabaikan selama interkalasi. Transmisi Visibel-NIR (Gambar 4) mengungkapkan bahwa interkalasi FeCl₃ meningkatkan transparansi dalam jendela 700–1100 nm hingga 10 % pada 1000 nm, yang dapat dikaitkan dengan pemblokiran Pauli dari pengisian pembawa. Film WS₂ menunjukkan penurunan transmisi bergantung pada ketebalan hingga 35 % di seluruh 400–1100 nm, yang mencerminkan kepadatan optik yang meningkat dengan konsentrasi LC yang lebih tinggi. Transmisi THz (Gambar 5) menunjukkan penurunan linier dengan jumlah lapisan grafit untuk semua substrat, mengonfirmasi bahwa koefisien absorpsi tetap konstan dalam pita 0,1–1 THz. Interkalasi FeCl₃ memodifikasi respons THz secara berbeda tergantung pada substrat: pada Kapton, transmisi meningkat ~30 % dalam rentang 0,4–0,8 THz, sedangkan safir menunjukkan peningkatan absorpsi yang sebanding. Efek pencaran yang bergantung pada substrat ini menyoroti pentingnya rekayasa antarmuka untuk optimisasi perangkat. Film WS₂ mempertahankan transparansi THz tinggi (Gambar 6); dengan memilih konsentrasi LC, transmisi dapat diatur tanpa mengorbankan performa NIR. Selain itu, tunabilitas magnetik dari WS₂ fase LC menunjukkan potensi untuk modulator THz yang dipengaruhi magnet, analog dengan osilator THz arus spin.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa grafit interkalasi FeCl₃ dan film WS₂ yang berasal dari LC dapat diriset untuk memberikan transmisi yang dapat dikendalikan di kedua rentang NIR dan THz. Dengan memilih dengan bijak tingkat dopan, ketebalan lapisan, dan substrat, sistem 2D ini dapat berfungsi sebagai blok konstruksi untuk modulator, polarisator, dan gelombang THz berkinerja tinggi. Pekerjaan mendatang akan berfokus pada integrasi materi ini ke dalam prototipe perangkat THz-TDS dan mengeksplorasi modulasi medan magnetik WS₂ untuk kontrol THS aktif.

Ketersediaan Data dan Bahan

Dataset yang dihasilkan dan dianalisis dalam studi ini tersedia dari penulis korespondensi atas permintaan yang wajar.

Singkatan

AFM

Mikroskopi gaya atom

CVD

Depoersi uap kimia

EO

Elektro-optik

FLG

Grafit beberapa lapis

i‑FLG

Grafit beberapa lapis yang diinterkalasi

i‑MLG

Grafit multi-lapis yang diinterkalasi

i‑SLG

Grafit lapis tunggal yang diinterkalasi

IPA

Isopropanol

LC

Kristal cair

MLG

Grafit multi-lapis

PET

Polietilena tereftalat

PMMA

Polymethyl metakrilat

SEM

Mikroskopi elektron pemindai

SLG

Grafit lapis tunggal

THz‑TDS

Spektroskopi domain waktu terahertz