MnZn 페라이트 박막은 p-Si 기판에 증착되었으며 적외선 및 테라헤르츠 장치 응용을 위한 그래핀 전계 효과 트랜지스터의 유전층으로 사용되었습니다. MnZn 페라이트 박막 증착 조건은 소자 제작 전에 최적화되었다. 적외선 특성과 테라헤르츠파 변조는 다른 게이트 전압에서 연구되었습니다. 저항성 및 자성 MnZn 페라이트 박막은 THz파에 대해 매우 투명하여 그래핀 단층의 큰 자기저항을 통해 투과된 THz파를 자기적으로 변조할 수 있습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">적외선(IR) 및 테라헤르츠(THz) 장치는 레이더[1], 무선 통신[2], 보안 시스템[3]과 같은 많은 전자 시스템에서 매우 중요합니다. 따라서 적외선 및 테라헤르츠 범위에서 사용할 수 있는 재료[4,5,6,7]와 구조[8,9,10,11,12,13,14]를 탐색하는 것이 중요합니다. 최근에 그래핀 단층의 대역내 전이를 조정함으로써 THz 파동의 전송이 그래핀 전계 효과 트랜지스터(GFET)로 변조될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다[8]. 원래 GFET THz 변조기에서 B. Sensale-Rodeiguez와 동료는 92nm SiO2를 사용합니다. 15%의 변조 깊이와 18Kb/s의 THz 파의 변조 속도를 달성한 게이트 유전체 재료[8]. D. Zhang과 동료들은 그래핀/SiO2의 광학 THz 변조를 조사했습니다. (150nm)/p-Si GFET, 게이트 전압으로 조정할 수 있습니다[15].
나중에 게이트 유전체를 high-k 및 조밀한 Al2로 교체하여 GFET의 THz 파 변조를 개선할 수 있음이 발견되었습니다. O3 원자층 증착에 의해 성장한 박막[16]. 그래핀/Al2에서 22%의 변조 깊이와 170kHz의 속도 달성 O3 (60nm)/p-Si GFET는 게이트 전압을 변화시켜줍니다[16]. 개선된 변조는 감소된 Coulomb 불순물 산란 및 공동 효과에 기인합니다[16]. 또한, 그래핀/Bi:YIG(50nm)/p-Si 이종 구조에서 유전체 물질로 Bi 도핑된 YIG(k ~12.0)를 사용하여 0.1~1.2THz에서 15%의 변조 깊이와 200kHz의 속도를 달성했습니다. 게이트 전압을 적용하여 [17].
기존 연구에 따르면 유전층은 THz 및 적외선 소자에 사용되던 GFET의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 유전체 재료를 주의 깊게 스크리닝함으로써 GFET의 성능을 조정할 수 있습니다. 이전 연구에서는 전기 신호를 추출하거나 인가하는 테라헤르츠 및 적외선 GFET 장치에 비자성 고유전율 유전층이 사용되었습니다. 그러나 외부 자기장에 의해 조정될 수 있는 테라헤르츠 및 적외선 응용을 위한 GFET에 대한 이중 기능 자기 및 유전층은 연구되지 않았습니다. 여기에서는 THz 및 적외선 응용 분야용 GFET의 유전체 재료로 150nm 스퍼터링된 MnZn 페라이트 박막을 소개합니다. 고유전율 및 자성 재료로서 MnZn 페라이트 박막은 우수한 유전층으로 기능할 수 있으며 GFET THz 및 적외선 장치에 새로운 기능을 도입할 수도 있습니다. 적외선 조명에 대한 그래핀/MnZn 페라이트/p-Si GFET의 응답은 다른 게이트 바이어스에서 적외선 조명이 있는 경우와 없는 경우의 I-V 곡선을 비교하여 관찰되었습니다. 한편, 게이트 전압이 변화함에 따라 GFET에 의해 THz 파의 전기적 변조가 달성되었다. 외부 자기장이 변화함에 따라 전달되는 THz파의 미묘한 변화도 관찰되었다.
Mn1-x Znx Fe2 O4 RF 마그네트론 스퍼터링에 의해 박막을 제조하였다. 타겟 물질은 Fe(NO4의 공침에 의해 생성됨) )3 , Mn(NO4 )3 및 Zn(NO4 )2 용액을 950–1000°C에서 2시간 동안 소성한 다음 60mm 디스크로 압축하고 마지막으로 1250°C에서 3.5시간 동안 소결합니다. 필름은 4 × 10 -4 의 기본 압력에서 200–300°C에서 (100) p-Si 기판에 증착되었습니다. Pa 및 산소 농도 0–25%(PO2 /(PO2 + PAr )). 필름(150nm)을 400~700°C의 진공에서 0.08Pa–5.0Pa의 압력으로 1.5시간 동안 어닐링했습니다.
Mn1-x의 결정 구조 Znx Fe2 O4 박막은 40kV 및 100mA에서 Cu Kα X선 회절(XRD, D/max 2400 X Series X-ray diffractometer, Tokyo, Japan)을 사용하여 특성화되었습니다. Mn1-x의 미세구조 Znx Fe2 O4 주사전자현미경(SEM:JOEL JSM6490LV)을 사용하여 박막을 조사하였다. 표면 산술 평균 거칠기(Ra) 및 제곱 평균 제곱근 거칠기(RMS)는 원자력 현미경(AFM:Veeco Mutimode Nano4)으로 측정되었습니다. 포화 유도는 Iwatsu BH 분석기(SY8232)로 테스트되었습니다. 필름의 자기적 특성은 진동 샘플 자력계(VSM, MODEL:BHV-525)로 측정되었습니다.
Mn1-x의 성장 조건을 최적화한 후 Znx Fe2 O4 p-Si 상의 박막, 그래핀 단층은 구리 호일에서 Mn1-x으로 옮겨졌습니다. Znx Fe2 O4 그래핀/MnZn 페라이트/p-Si 헤테로구조를 형성하기 위한 박막. 그래핀은 관로에서 화학기상증착(CVD) 방법으로 제조되었다[19]. 그래핀 단층의 전사 방법은 참고문헌 [20]에서 채택되었다. GFET를 제작하기 위해 게이트, 소스, 드레인 전극을 금 증착법으로 증착했다. 게이트 유전체 재료로 MnZn 페라이트를 사용하는 GFET의 구조는 그림 1에 나와 있습니다. 그런 다음 GFET는 프로브 스테이션(SUMMIT 1100B-M)이 있는 반도체 매개변수 분석기(Agilent 4155B)로 특성화되었습니다. IR 특성화를 위해 IR 조명(λ =915nm, P =1 W), 어두운 환경에서와 비교했습니다. 테라헤르츠파 전송은 게이트 전압 및/또는 외부 자기장의 적용 시 THz 시간 영역(TDS) 시스템에 의해 측정되었습니다. 외부 자기장은 집에서 만든 구리 코일에 의해 생성됩니다.
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게이트 유전 물질로 150nm MnZn 페라이트 박막을 사용하는 GFET
그림 1은 Mn1-x의 XRD 패턴을 보여줍니다. Znx Fe2 O4 각각 100, 120, 140, 160, 180W의 RF 전력으로 스퍼터링된 p-Si(100) 기판의 페라이트 박막. MnZn 페라이트 박막의 스피넬 구조는 다양한 스퍼터링 전력에서 얻어졌습니다. (311) 회절 피크가 가장 강하여 160W의 증착 파워에서 최고의 결정도를 나타냅니다. 표 1은 표면 산술 평균 거칠기(Ra)와 제곱 평균 제곱근(RMS), 최대 결정립의 길이와 너비를 보여줍니다. p-Si(100) 기판의 페라이트 필름. Table 1에서 보는 바와 같이 MnZn 페라이트 박막의 표면조도(Ra, RMS)는 RF power에 따라 증가한다. 그러나 매우 낮은 RF 전력은 MnZn 페라이트 박막의 형성에 영향을 미칩니다. MnZn 페라이트 박막의 거칠기는 GFET IR 및 THz 장치의 성능에 영향을 미치며 이에 대해서는 나중에 논의합니다.
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서로 다른 RF 마그네트론 스퍼터링 전력 100, 120, 140, 160 및 180W에서 스퍼터링된 p-Si(100) 기판의 샘플 XRD 패턴
p-Si 기판 위의 MnZn 페라이트 박막의 SEM 및 AFM 이미지를 그림 2에 나타내었다. MnZn 페라이트 박막의 입자를 명확하게 관찰할 수 있었다. 어닐링 후 결정립 크기는 그림 2b, d와 같이 증가합니다. 그림 3a는 다른 온도에서 어닐링된 MnZn 페라이트 박막의 XRD 패턴을 보여줍니다. MnZn 페라이트 박막의 (311) 피크는 550°C에서 어닐링될 때 가장 강합니다. 이 박막의 자기 히스테리시스 루프도 실온에서 VSM에 의해 측정되었으며 그림 3b에 나와 있으며, 이로부터 포화 자화(Ms ) 및 자기 보자력(Hc )를 얻는다. 그림 3c는 Ms 및 Hc 최대 4Pa의 질소 가스 압력에서 어닐링된 MnZn 페라이트 박막 중 3Pa 미만에서 가장 높은 Ms 최저 Hc 0.5 Pa에서 얻어진다. 3 Pa 이상에서는 Ms가 급격히 감소하는데, 이는 질소 가스와 박막 사이의 반응 때문일 수 있습니다. 그림 3d는 Ms를 보여줍니다. 및 Hc 1.5Pa의 질소 압력에서 어닐링 온도의 함수로 나타나는 페라이트 박막의 Ms (Hc ) MnZn 박막의 값은 550°C에서 최대(최소) 값 330kA/m(1600A/m=20Oe)에 도달합니다. 최대 Ms 및 최소 Hc 그림 3a의 XRD 데이터와 일치하는 MnZn 박막의 가장 좋은 결정도에 해당합니다. 더 높은 온도와 가스 압력에서 박막의 표면 원자는 불순물로 질화되어 MnZn 페라이트 박막의 자기적 특성을 저하시킨다. 그 결과 550°C의 열처리 온도와 3Pa 이하의 진공 압력에서 MnZn 박막이 제조되었습니다.
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(a의 SEM 이미지 ) 예치금 및 (b ) 어닐링된 MnZn 페라이트 박막, (c ) 및 (d ) 해당 AFM 이미지 표시
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스퍼터링된 MnZn 박막의 특성화. (아 ) XRD 패턴 및 (b ) 350, 450, 550, 650 및 750°C에서 어닐링된 MnZn 박막의 히스테리시스 루프. 포화 자화(Ms ) 0.0Pa ~ 4.5Pa in (c ) 및 450~700°C(d)의 온도 )
그런 다음 동일한 구리 호일에서 성장한 그래핀을 MnZn 페라이트 박막에 전사하여 Scheme 1과 같은 구조의 GFET를 만들었습니다. 여기에서 우리는 100 및 150W에서 스퍼터링되고 위에서 논의한 최적 조건에서 어닐링된 MnZn 페라이트 박막으로 GFET를 제작했습니다. . 그림 4a, b는 2개의 GFET에 적용된 게이트 전압의 함수로 드레인과 소스 사이에서 측정된 전류를 보여줍니다. 측정하는 동안 소스와 드레인 사이의 인가 전압은 1V로 일정하게 유지됩니다. 게이트 전압이 음으로 증가함에 따라 전류가 점차 증가합니다. 게이트 전압이 양으로 바이어스되면 전류가 매우 느리게 변합니다. 두 GFET의 비대칭 I-V 특성은 게이트 영역과 액세스 영역 사이의 접합부에서 열이온 방출 및 대역간 터널링의 결과일 수 있습니다[21]. 100W 스퍼터링된 MnZn 페라이트 박막에서 그래핀의 저항은 그림 4a, b와 비교하여 동일한 게이트 바이어스에서 150W 스퍼터링된 박막에서보다 훨씬 작습니다. 그림 4b의 더 큰 저항은 표 1과 비교하여 150W 스퍼터링된 MnZn 페라이트 박막의 더 큰 거칠기의 결과일 수 있습니다. 그래핀 단층의 거칠기로 인한 주름은 전하 캐리어의 수송을 억제하여 더 높은 저항으로 이어질 수 있습니다. [22].
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IR 특성화. (아 ) 및 (b ) Isd -Vsg 각각 100 W 및 150 W에서 스퍼터링된 MnZn 페라이트 박막이 있는 GFET의 곡선. (ㄷ ) 및 (d ) Isd 비교 -Vsg IR 조명 및 조명이 없는 상태에서 곡선. 소스와 드레인 사이에 적용되는 전압은 모든 곡선에 대해 1.0V입니다.
그림 4c, d는 각각 100W 및 150W 스퍼터링된 MnZn 페라이트 박막을 사용하는 GFET에 대한 어두운 환경 및 적외선 조명에서의 I-V 곡선의 비교를 보여줍니다. 적외선은 ~1cm 2 범위의 창에서 915nm의 파장과 1W의 전력입니다. . 소스와 드레인 사이에 인가된 전압은 1V입니다. 적외선 조명에서 GFET의 I-V 곡선은 어두운 환경에서 측정한 것과 유사하지만 전류가 크게 향상되었습니다. 향상은 150W 스퍼터링된 MnZn 페라이트 박막을 사용하는 것보다 유전층으로 100W 스퍼터링된 MnZn 페라이트 박막을 사용하는 GFET에서 훨씬 더 강력합니다. 향상은 100W 스퍼터링된 MnZn 페라이트 박막의 경우 10V의 게이트 전압에서 ~7.5배이며, 이는 150W 스퍼터링된 MnZn 페라이트 박막의 경우 ~2.5배입니다. 즉, MnZn 페라이트 박막의 표면 거칠기는 적외선 광전자 특성에도 영향을 미칠 수 있습니다.
그런 다음 100W 스퍼터링된 MnZn 페라이트 박막이 있는 GFET를 사용하여 THz 파동의 변조 특성을 조사했습니다. 그림 5a는 다른 게이트 바이어스를 적용했을 때 GFET를 통한 THz 파의 투과율을 보여줍니다. 투과율은 THz-TDS 시스템을 이용하여 THz 펄스로 측정하였고, 주파수 영역에서의 투과율은 공기를 기준으로 하는 푸리에 변환에 의해 구하였다. 게이트 전압이 25V에서 -25V로 변경되면 그림 4a와 같이 소스와 드레인 사이의 저항이 감소합니다. 저항이 감소하면 그림 5a와 같이 THz 파의 투과율이 감소합니다. . 즉, THz 파의 전송은 GFET의 다른 게이트 전압을 적용하여 변조될 수 있습니다. 전송된 THz 파동은 외부 자기장이 가해질 때도 측정되었으며, 이는 그림 5b에 나와 있습니다. 외부 자기장이 증가함에 따라 전송된 THz파의 강도가 감소하여 50Oe 이상에서 포화됩니다. 외부 자기장 하에서 THz파의 투과 강도 변화는 그래핀의 극도로 큰 자기저항 때문일 수 있다[23]. 아래 MnZn 페라이트 박막은 외부 자기장에 의한 자화 시 강한 프린지 필드를 제공합니다. 그래핀/MnZn 페라이트/p-Si 이종접합의 자기저항은 추가 파일 1:보충 정보의 그림 S1에 나와 있습니다. 그러나 테라헤르츠파의 변조는 미묘하며(5%), 이는 MnZn 페라이트 박막의 고르지 않은 표면 및/또는 저항에 따른 테라헤르츠 변조의 작은 변화 때문일 수 있습니다. 그래핀은 매우 매끄러운 MnZn 페라이트 박막에서 훨씬 더 강하고 균일한 프린지 필드를 느낄 수 있으며, 이는 그래핀의 더 큰 자기저항을 가질 수 있고 외부 자기장에 의해 더 큰 변조 깊이를 제공할 수 있습니다.
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THz 특성화. (아 ) -25~25V의 다양한 게이트 전압에서 0.2~1.0THz의 THz 투과율 스펙트럼 및 (b ) 0.63~0.70THz의 다양한 외부 자기장에서 주파수 영역 스펙트럼
그래핀/MnZn 페라이트/p-Si 헤테로구조는 IR 및 THz 장치 응용을 위해 제작되었습니다. MnZn 페라이트 박막은 GFET 제조에 사용되기 전에 어닐링된 마그네트론 스퍼터링에 의해 p-Si 위에 증착되었습니다. MnZn 페라이트 박막은 GFET IR 및 THz 장치를 위한 대체 유전 물질을 제공합니다. 자성 및 고저항 박막으로서 추가적인 삽입 손실 없이 그래핀의 자기저항과 투과 THz 변조를 강화할 수 있다. MnZn 페라이트 박막의 표면 거칠기는 IR 및 THz 소자의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. MnZn 페라이트 박막을 더 매끄럽게 만들면 더 높은 성능을 얻을 수 있습니다. 이러한 작업이 진행 중입니다.
나노물질
초록 큰 작업 기능으로 인해 MoOX 박막과 결정질 실리콘 태양전지 모두에서 정공선택적 접촉에 널리 사용되어 왔다. 이 작업에서 열증발 MoOX 필름은 p의 뒷면에 사용됩니다. -유형 결정질 실리콘(p -Si) 태양 전지, 여기서 MoOX의 광학 및 전자 특성 필름 및 해당 장치 성능은 어닐링 후 처리의 기능으로 조사됩니다. MoOX 100°C에서 열처리된 필름은 가장 높은 일함수를 나타내며 에너지 밴드 시뮬레이션 및 접촉 저항 측정 결과를 기반으로 최고의 홀 선택성을 입증합니다. 전체 후면 p -Si/MoOX /Ag 접촉 태양전
그래핀은 접착 테이프를 사용하여 흑연을 탄소의 개별 층으로 분리한 맨체스터 대학(영국 맨체스터)의 연구원들이 2004년에 처음으로 분리 및 특성화한 것으로 창립자인 Andre Geim과 Kostya Novoselov가 2010년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 10년 후, 그래핀 강화 복합 응용(전기 자동차 배터리용 아라미드 나노섬유 강화 슈퍼커패시터부터 항공우주 복합 도구 및 극저온 압력 용기에 이르기까지)이 계속 헤드라인을 장식하고 있습니다. 재료 자체는 상업적으로 이용 가능한지 약 10년이 되었지만 그래핀 위원회(미국 노스캐롤라
