그래핀/TiO2/Si 삼중층 이종접합에 기반한 고성능 전광 테라헤르츠 변조기

초록

본 논문에서는 p형 실리콘(p-Si) 기판인 TiO₂를 결합하여 만든 삼중층 하이브리드 테라헤르츠(THz) 변조기를 시연합니다. 중간층 및 단일층 그래핀. Si와 TiO₂ 사이의 인터페이스 Si에서 TiO로 광전자를 유도하는 내장 전기장 도입₂ , 그런 다음 그래핀 층에 전자가 주입되어 그래핀의 페르미 준위가 더 높은 전도대로 이동합니다. 그래핀의 전도도가 증가하여 전송되는 테라헤르츠파가 감소합니다. 그리고 테라헤르츠 전송 변조가 실현되었습니다. 우리는 0.3 ~ 1.7 THz의 주파수 범위에서 테라헤르츠 전송의 광대역 변조와 적절한 광 여기에서 88%의 큰 변조 깊이를 관찰했습니다. 결과는 그래핀/TiO₂ /p-Si 하이브리드 나노구조는 테라헤르츠 이미징 및 통신과 같은 테라헤르츠 광대역 응용 분야에 큰 잠재력을 보여줍니다.

소개

테라헤르츠(THz) 이미징 기술[1]과 테라헤르츠 통신 기술[2, 3]은 THz 분야의 두 가지 주요 연구 방향입니다. 그리고 THz 변조기는 신호(빛, 전기, 열 등)를 변조하여 THz 파의 투과율 및 반사율을 변조할 수 있는 기술의 기본 구성요소입니다[4]. 주로 재료에 초점을 맞춘 THz 변조기[5, 6]에 대해 많은 연구가 수행되었습니다. Si 및 Ge와 같은 반도체 재료는 THz 변조기로 사용되었습니다. 그러나 변조 성능이 이상적이지 않고 변조 깊이가 높지 않아 많은 새로운 재료가 제안되었습니다[7,8,9]. 대표적인 신소재는 메타물질이다. 메타 물질과 반도체를 결합하여 고속 THz 변조기를 구현할 수 있습니다. 그러나 메타물질 기반 변조기의 대역폭은 고정된 구조로 인해 여전히 매우 좁고 제조 공정이 복잡하다[10, 11]. 또 다른 일반적인 재료는 VO₂와 같은 상 변화 재료입니다. . 특정 온도 또는 전압에서 VO₂ 절연 상태와 금속 상태 사이에서 가역적인 상 변화를 겪을 수 있으며 이에 따라 전자기 특성이 변경됩니다. 금속 상태는 THz 파의 감쇠를 유발할 수 있습니다. 그러나 THz파는 VO₂의 절연 상태를 쉽게 관통할 수 있습니다. . 따라서 THz 전송은 VO₂의 위상 변화를 만들기 위해 외부 여기를 적용하여 변조될 수 있습니다. . 그러나 이러한 변조기[12,13,14,15]는 온도 변화를 기반으로 하며 온도 강하가 더 느리므로 변조 속도가 느립니다.

최근 몇 년 동안 그래핀은 우수한 전자적, 광학적, 기계적 특성으로 인해 THz 기술에 점차 적용되고 있다[16,17,18,19]. Lee et al. 그래핀을 메타물질과 통합하여 전기적으로 제어되는 THz 변조기를 제작했습니다[20]. 금속 원자의 강한 공명에 의해 그래핀의 전기적, 광학적 특성이 향상되면 빛과 물질의 상호작용이 강화되어 투과 테라헤르츠파의 진폭 변조를 47%, 위상 변조를 32.2% 실현합니다. 2012년에 Sensale et al. 게이트 전압이 그래핀의 캐리어 농도를 조정하는 동안 그래핀 기반 전계 효과 트랜지스터(GFET) THz 파 변조기를 준비했습니다[21]. 그러나 이러한 종류의 변조기[22,23,24]의 변조 깊이는 제한된 반송파 주입으로 인해 얕았습니다. Weis et al.에 의해 제조된 그래핀/n-Si THz 변조기. 808 nm 펨토초 펄스 레이저의 여기에서 최대 99%의 변조 깊이를 갖는다[25]. 나중에 Li et al.에 의해 만들어진 그래핀/n-Si THz 변조기. 동시 전기 및 광학 여기로 83%의 변조 깊이를 달성했습니다. 그러나 전기장이 인가되지 않은 경우에는 빛만 추가되어 변조 효과가 그다지 좋지 못하였다[26]. 저비용, 무독성, 화학적으로 안정적인 반도체 재료인 이산화티타늄(TiO₂ ) 에너지 및 환경 분야에서 큰 주목을 받았습니다. 환경오염물질의 광촉매 분해에 사용될 뿐만 아니라 태양전지에도 널리 사용됩니다. 최근 Tao et al. 준비된 MoS₂ TiO₂의 필름 표면 [27]. 인터페이스는 강력한 내장 전기장을 도입하여 전자-정공 쌍의 분리를 향상시켜 광촉매 특성을 개선했습니다. 2017년 Cao et al. 고성능 페로브스카이트/TiO₂를 만들었습니다. /Si 광검출기[28]. 그들은 TiO₂의 삽입에 의해 Si와 페로브스카이트 사이의 경계면에서 광여기된 캐리어의 분리 증가 및 감소된 재결합으로 인해 성능 향상이 나타났습니다. 영화. 여기에서 그래핀/TiO₂ /p-Si 나노구조 전광 THz 변조기가 제작되었습니다. 우리가 설계한 장치는 0.3~1.7 THz의 주파수 범위에서 최대 88%의 큰 변조 깊이를 가지고 있습니다.

방법

500μm 두께의 Si(p형, 저항률 ρ ~ 1–10 Ω cm) 기판을 초음파 수조에서 20분 동안 아세톤, 에탄올, 탈이온수로 차례로 세척한 다음 4.6M HF 용액에 10분 동안 침지하여 표면의 고유 산화물 층을 제거했습니다. 다음으로, 세정된 Si를 0.1 M TiCl₄에 담그었습니다. 10nm 두께의 TiO2를 얻기 위해 343 K에서 1 시간 동안 수용액 영화. 단층 그래핀은 화학 기상 증착에 의해 구리 위에 성장되었습니다[29]. 그런 다음 그래핀을 TiO₂에 전사했습니다. 그래핀/TiO₂를 형성하기 위해 습식 에칭 방법[30]을 사용하여 필름 /p-Si 이종 구조. 전체 샘플 영역은 1 cm² 입니다. . 그래핀의 품질은 라만 분광법으로 특성화했습니다. 흡수 스펙트럼은 UV-가시광선 분광광도계(Shimadzu, UV-3600)로 측정하였다. 에너지 밴드 구조를 얻기 위해 자외선 광전자 방출 분광법(UPS)(Thermo Scientific, Escalab 250Xi) 측정을 수행했습니다. 정적 변조는 Fico THz 시간 영역 시스템(Zomega Terahertz Corporation)에 의해 평가되었습니다.

결과 및 토론

전광 그래핀/TiO₂의 구조 /p-Si THz 변조기는 그림 1a에 개략적으로 표시되어 있습니다. THz파와 레이저는 그래핀 쪽에서 동시에 입사하였다. 808 nm의 파장, ~ 5 mm의 스폿 직경, 0 ~ 1400 mW의 전력에서 반도체 레이저가 변조 신호로 적용되었습니다. THz 빔(~ 3 mm)은 레이저 빔에 의해 겹칠 수 있습니다. 그리고 전송된 THz 파동은 다른 레이저 출력에서 THz-TDS 시스템에 의해 측정되었습니다. 그래핀 변조기의 성능은 그래핀의 품질과 관련이 있기 때문에 Si 및 TiO₂에 전사된 그래핀의 품질을 평가했습니다. /p-Si 기판은 그림 1b와 같이 514nm 파장 레이저를 사용한 라만 분광법으로 측정한 것입니다. p-Si에서 그래핀의 G 피크와 2D 피크가 ~ 1580 cm⁻¹ 에 있음이 분명합니다. 및 2681 cm⁻¹ , 각각. TiO₂의 그래핀의 경우 /p-Si, G 피크는 ~ 1575 cm⁻¹ 에 위치합니다. 2D 피크는 ~ 2667 cm⁻¹ 에 위치합니다. . 실리콘 위 그래핀의 라만 스펙트럼과 비교하여 TiO₂ 위 그래핀의 G 및 2D 피크 /p-Si는 TiO₂의 삽입으로 인한 그래핀의 응력으로 인해 왼쪽으로 이동합니다. . 또한 D 피크는 Si 및 TiO의 그래핀 모두에 대해 약합니다₂ /p-시. 2D 피크는 단일 Lorentzian에 적합하며 둘 다 G 피크 높이의 두 배 이상입니다. Raman 결과는 Si 및 TiO₂에 그래핀이 이동되었음을 나타냅니다. /p-Si는 고품질의 단층 그래핀입니다[31].

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그래핀의 실험적 설계와 라만 스펙트럼. 아 전광 THz 변조기의 개략도. 변조기는 TiO₂를 포함하는 p-Si 기판의 단일층 그래핀으로 구성됩니다. 영화. ㄴ Si 및 TiO에 있는 그래핀의 라만 스펙트럼₂ /p-Si 기판

그림 2a–c는 Si, 그래핀/Si 및 그래핀/TiO₂의 THz 파 투과율을 보여줍니다. Fico THz 시간 영역 시스템에 의해 측정된 각각 다른 레이저 출력에서의 /Si. 광여기 없이, Si, 그래핀/Si 및 그래핀/TiO₂ /p-Si는 Si가 p-도핑되기 때문에 캐리어로부터의 부분 흡수 및 반사로 인해 THz 파의 ~ 55%의 적당한 투과율을 보여줍니다. 그리고 광여기가 없는 투과율은 TiO₂를 나타내는 그들 모두에 대해 눈에 띄는 차이가 없습니다. 그리고 그래핀은 광여기가 없을 때 THz 파동을 감쇠시키지 않습니다. 따라서 TiO₂에 의한 추가 삽입 손실이 없습니다. 및 그래핀. 808nm 레이저의 출력이 0에서 1400 mW로 증가할 때 Si, graphene/p-Si 및 graphene/TiO₂의 경우 투과율이 0.3 THz ~ 1.7 THz 범위에서 감소합니다. /p-시. Si의 밴드 갭보다 큰 에너지로 레이저를 조사하면 전자가 가전자대에서 전도대로 여기됩니다. 여기된 전자-정공 쌍이 표면에 형성되어 전도도가 증가합니다. 그리고 반도체의 THz 흡광도와 반사율은 전도도의 변화에 의존합니다. 따라서 THz파가 레이저에 의해 조사된 Si를 투과하면 투과되는 THz파의 세기가 감소하게 된다. 게다가, 808nm 레이저 조사에서 Si에 의해 생성된 전자-정공 쌍의 수는 레이저 출력이 증가함에 따라 증가할 것입니다. 그리고 Si의 전도도가 증가하면 전송된 THz파가 감쇠됩니다. 그림 2b에서 그래핀/Si의 투과율은 실리콘보다 레이저 출력이 증가함에 따라 크게 감소합니다. 그래핀/Si에 레이저를 조사하면 Si의 광흡수가 그래핀보다 훨씬 높기 때문에 Si에서 생성되는 캐리어의 수가 그래핀보다 훨씬 많다. 자유 캐리어는 농도 구배의 작용으로 실리콘에서 그래핀으로 확산됩니다. 그래핀은 캐리어 이동도가 더 높기 때문에 Si보다 전도도 변화가 더 큽니다. THz의 흡광도와 반사율은 전도도의 변화에 따라 달라지지만, 그래핀/p-Si의 변조 성능은 Si에 비해 향상됩니다. 그림 2c와 같이 그래핀/TiO₂의 투과율 감소 /p-Si는 200 mW 및 400 mW의 레이저 출력에서 급격합니다. 레이저 출력이 계속 증가하면 투과율 감소가 더 완만해집니다. 인가된 레이저 출력은 1400 mW이지만 THz 투과율은 0.3 THz ~ 1.7 THz 범위에서 약 10%로 떨어집니다. 변조 깊이는 (T _{흥분 없음} − T_여기 )/T _{흥분 없음} , 여기서 T _{흥분 없음} 그리고 T _흥분 각각 광여기가 없는 경우와 있는 경우의 THz 투과 강도를 나타냅니다. 정적 변조 성능을 보다 직관적으로 나타내기 위해 Si, 그래핀/Si 및 그래핀/TiO₂에 대한 레이저 출력의 함수로 변조 깊이를 표시했습니다. /p-Si, 그림 2d에 표시된 대로. 그래핀/Si의 변조 깊이는 Si보다 높지만 그래핀/TiO의 변조 깊이₂ /p-Si는 그래핀/p-Si보다 높습니다. 이들 모두의 변조 깊이는 레이저 출력이 증가함에 따라 증가합니다. 200 mW 조사 시, 그래핀/TiO₂의 변조 깊이 /p-Si는 ~ 33%로, Si보다 약 6배, 그래핀/Si보다 2.5배, 그래핀 전계 효과 트랜지스터 기반 THz 변조기보다 높습니다[21]. 그래핀/TiO₂의 변조 깊이 /p-Si는 1400 mW의 출력을 가진 808nm 레이저로 펌핑할 때 88%에 도달할 수 있으며, 이는 전기 및 광학 여기가 동시에 있는 그래핀 기반 변조기보다 높습니다[26]. 따라서 정적 테스트에서 변조기가 광대역 및 큰 변조 깊이로 고성능이라는 결론을 얻을 수 있습니다.

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변조 테스트. a의 투과 스펙트럼 시, b 그래핀/p-Si 및 c 그래핀/TiO₂ /p-Si 다른 레이저 출력에서. d Si, graphene/Si 및 graphene/TiO₂에 대한 레이저 출력의 함수로서의 변조 깊이 /p-Si 변조기

그래핀/TiO₂의 에너지 밴드 다이어그램을 얻으려면 /Si 변조기를 사용하여 UV-visible 분광 광도계와 UPS 측정을 그림 3과 같이 했습니다. 그림 3a에 따르면 Si와 TiO₂의 밴드 갭을 계산할 수 있습니다. 는 각각 1.19 및 2.98 eV입니다. 그림 3b는 Si, TiO₂에 대한 UPS 측정값을 보여줍니다. , 그래핀 및 Au. 미터의 페르미 레벨 위치를 확인하기 위해 Au에서 UPS 측정을 수행했습니다[32]. 그리고 그림 3의 c와 d는 그림 3b의 확대 부분이다. 그림 3c에서 스펙트럼의 2차 전자 개시는 Si, TiO₂의 경우 16.33, 16.97, 16.43 및 17.11 eV입니다. , 그래핀 및 Au. 따라서 미터의 페르미 준위 위치는 0.98 eV이고 Si의 일함수, TiO_2, 그래핀은 각각 5.85, 5.21, 5.75 eV로 계산되었습니다. 그림 3(d)에 따르면 Si와 TiO₂의 가전자대 최대값 1.48 및 2.86 eV에 있습니다. Si 및 TiO₂의 가전자대 수준 − 6.35 및 − 7.09 eV로 계산됩니다. Si와 TiO₂의 밴드갭과 결합 , Si 및 TiO₂의 전도대 수준을 얻을 수 있습니다. , 이는 − 5.16 및 − 4.11 eV입니다.

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흡수 스펙트럼 및 UPS 스펙트럼. 아 Si 및 TiO₂의 흡수 스펙트럼 /시. ㄴ Si, TiO₂의 UPS 스펙트럼 , 그래핀 및 Au. ㄷ b의 확대된 부분 2차 전자 개시를 보여줍니다. d b의 확대된 부분 가전자대 최대값 표시

위의 결과를 바탕으로 그래핀/TiO₂의 에너지 밴드 다이어그램 /Si 이종접합은 그림 4에 나와 있습니다. E_c , E_v , 및 E_F 전도대 에너지, 가전자대 에너지 및 페르미 준위 에너지를 각각 나타냅니다. TiO₂ p-Si와 직접 접촉하고 TiO₂의 전자 p-Si의 구멍과 재결합하여 계면에서 공핍층을 생성합니다. TiO₂ 이후 TiO₂의 공핍 폭이 "더 약한" n형입니다. Si보다 큽니다. TiO₂ 고려 필름은 매우 얇으며(~ 10 nm) TiO₂에 완전히 고갈된 상태가 나타납니다. 층. 그래핀이 TiO₂에 옮겨졌을 때 /Si, TiO₂에 과잉 전자가 없었습니다. 그래핀으로 이동합니다. 따라서 어두운 상태에서는 캐리어 축적층이 없으며 THz는 높은 투과율을 나타내어 그림 2b의 결과와 일치합니다. 그래핀/TiO₂일 때 /p-Si 이종접합은 808nm 레이저에 의해 광여기되었으며 Si에서 생성된 전자-정공 쌍의 양은 그래핀 및 TiO₂에서보다 훨씬 많았습니다. . 광여기 시 Si의 페르미 준위는 TiO₂에서 상승했습니다. /p-Si 인터페이스. 또한 전자는 TiO₂ 쪽으로 이동했습니다. 그리고 내장된 전기장의 영향으로 인해 Si를 향한 구멍. TiO₂의 존재 얇은 TiO₂에 n형 전도층을 형성하여 Si에서 광여기된 캐리어의 분리를 향상시켰습니다. THz파의 전송을 방해하는 층. TiO₂로 레이어가 상대적으로 얇아 THz 전송에 대한 영향이 약간 적습니다. TiO₂에 그래핀을 전사한 후 /p-Si, TiO₂에 있는 많은 수의 전자 그래핀에 주입되어 페르미 준위를 더 높은 전도대로 이동시켰습니다. 한편, 그래핀의 전도도가 증가하여 THz파의 감쇠가 더 높아졌습니다. 따라서 높은 변조 깊이가 구현되었습니다.

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그래핀/TiO₂의 밴드 구성표 /Si 이종접합

결론

요약하면, 고성능 전광 그래핀/TiO₂를 성공적으로 제작했습니다. /p-Si 테라헤르츠 변조기. 변조기는 88% 변조 깊이로 0.3~1.7 THz 범위의 광대역을 나타냅니다. TiO₂ 삽입 막은 p-Si와 PN 접합을 도입했으며 내장된 전기장은 Si에서 광여기된 캐리어의 분리를 향상시켰습니다. Si에서 TiO로 이동한 광전자₂ , 그런 다음 그래핀 층에 주입되어 그래핀의 페르미 준위가 더 높은 전도대로 이동합니다. 따라서 그래핀의 전도성 증가로 인해 THz 전송 변조를 실현할 수 있었습니다. 이 장치는 또한 만들기가 매우 쉽고 비용이 저렴합니다. 전극을 증착할 필요가 없으며 TiO₂ 필름은 화학 용액법으로 제조할 수 있습니다. 게다가 우리가 사용한 레이저는 반도체 레이저이며 변조 신호로 반드시 값비싼 펨토초 펄스 레이저가 아닙니다.

약어

p-Si:: P형 실리콘
테라헤르츠:: 테라헤르츠
UPS:: 자외선 광전자 방출 분광법

In2S3 양자점:준비, 속성 및 광전자 응용 Cu 및 Cu/Cu2O 나노입자와 CuSO4를 사용한 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트) 기반 나노복합체 및 복합재의 항균 효과 비교 연구

나노물질