고속, 실온 직접 테라헤르츠 감지를 위한 대면적 균일 그래핀 나노메쉬 제작

결과 및 토론

c-GNM을 기반으로 제작된 테라헤르츠 검출기의 개략도는 그림 2a에 나와 있습니다. 소스 및 드레인 전극은 SiO₂ 위에 증착되었습니다. c-GNM에서 잘라낸 단층 그래핀이 있는 /Si 기판. c-GNM의 일반적인 기하학적 구조는 그림 2b에 나와 있습니다. 길이 20μm, 너비 60μm의 연속적인 대면적 GNM을 채널로 사용했습니다. 그래핀은 원자 구조의 단일 층이므로 산화물 층 생성 시 손상을 줄이기 위해 실리콘 질화물(Si₃ N₄ ) 유전층을 만들기 위한 저온 PECVD 공정. 그래핀 장치용 실리콘 산화물에 비해 실리콘 질화물 절연체의 추가적인 이점은 실리콘 산화물의 경우 ~ 56meV에 비해 표면 극성 광 포논 주파수가 ~ 110이 더 높기 때문에 그래핀 채널에서 원격 비탄성 포논 산란의 중요성을 감소시켜야 합니다[30]. 다른 나노 구조를 가진 장치를 추가로 조사하기 위해 r-GNR 기반 테라헤르츠 검출기도 준비되었으며 개략도는 그림 2c에 나와 있습니다. “와 ” 그림 2b에서 d는 GNM에서 가장 중요한 매개변수인 가장 인접한 나노홀 사이의 최소 거리로 정의되는 목 너비 값입니다.

아 c-GNM을 기반으로 제작된 테라헤르츠 검출기의 개략도. ㄴ c-GNM의 구조 도식, 여기서 W 목 너비입니다. ㄷ r-GNM을 기반으로 제작된 테라헤르츠 검출기의 개략도. d r-GNM의 구조도

전기 측정은 우리 GNM의 목 너비가 감지기의 성능에 미치는 영향에 대한 추가 통찰력을 얻기 위해 실온에서 수행되었습니다. 여기에서 각각 30, 40, 50 및 60 nm의 목 너비를 갖는 4개의 r-GNM 및 c-GNM 어레이가 EBL에 의해 패터닝되었습니다. 그림 3a는 다양한 목 너비를 가진 r-GNM의 SEM 이미지를 보여줍니다. 그림 3b는 다양한 목 너비의 c-GNM을 보여줍니다. 이 작업에서 GNM의 Neck 너비는 식각 시간과 식각 파워를 제어하여 레이아웃 설계와 일치합니다. SEM 사진의 초점을 맞추는 동안 주사 전자는 그래 핀에 일정한 영향을 미치므로 그래 핀의 SEM 이미지 색상 차이가 발생하지만 그래 핀 나노 메쉬의 메쉬 형태와 크기에는 영향을 미치지 않습니다. 이 이미지에서 분명히 알 수 있듯이 c-GNM 어레이와 r-GNM 어레이는 모두 EBL을 사용하여 대규모로 균일하게 제작할 수 있습니다.

아 목 너비가 (i) 60, (ii) 40, (iii) 50 및 (iv) 30 nm인 c-GNM의 SEM 이미지. ㄴ 목 너비가 (i) 60, (ii) 40, (iii) 50 및 (iv) 30 nm인 r-GNM의 SEM 이미지

GNM의 전자적 특성을 조사하기 위해 30, 40, 50 및 60 nm의 목 너비를 갖는 GNM을 기반으로 하는 FET 장치를 각각 제작했습니다. 어느 정도 GNM은 GNR의 고도로 상호 연결된 네트워크로 간주될 수 있으며 이론 및 실험 작업 모두 전도 밴드 갭의 크기가 리본 너비에 반비례한다는 것을 보여주었습니다. 즉, 더 좁은 Neck 너비는 충분한 게이트 응답과 온-오프 비율을 위한 충분한 밴드 갭 에너지를 얻을 수 있으며 더 조밀한 메쉬 구조는 더 높은 전류 전달을 가능하게 할 수 있습니다[25].

그림 4a는 V에서의 전달 특성을 보여줍니다. _ds =30, 40, 50 및 60 nm의 다른 목 너비를 가진 c-GNM 기반 장치의 경우 해당 I를 결정할 수 있습니다. _켜기 /나 _꺼짐 ~ 40, ~ 25, ~ 5 및 ~ 4의 비율. 30, 40, 50 및 60 nm의 다른 목 너비를 가진 r-GNM 기반 장치의 전달 특성은 그림 4b에 나와 있습니다. 그림 4a, b를 비교하면 c-GNM의 전도 전류가 r-GNM의 전도 전류보다 훨씬 큰 것을 알 수 있습니다(약 2배). GNM의 결과로 그래핀의 상호 연결된 네트워크 구조로 볼 수 있으며, 전류를 전달하는 c-GNM의 실제 면적은 r-GNM의 면적보다 크며, 이는 c-GNM의 전류가 r-GNM보다 큽니다. 같은 조건. 또한 나 _켜기 /나 _꺼짐 얻은 30, 40, 50 및 60 nm의 다른 목 너비를 가진 r-GNM의 비율은 각각 ~ 100, ~ 25, ~ 8 및 ~ 3이었고, 이는 I _켜기 /나 _꺼짐 GNM 기반 장치의 비율은 전하 수송 특성에 중요한 역할을 하는 목 너비를 변경하여 쉽게 조정할 수 있습니다. 이 편지에서 GNM 기반 장치가 더 높은 I _켜기 /나 _꺼짐 폭이 더 작은 다른 많은 GNR 기반 장치보다 비율이 높습니다[17]. GNM은 GNR의 상호 연결된 네트로 간주될 수 있기 때문에 밴드 갭의 생성은 전송 방향의 측면 양자 구속[31] 및 가장자리 결함 또는 거칠기로 인한 쿨롱 차단[32]을 포함한 여러 요인으로 인해 발생합니다. [33]. 이렇게 큰 나 _켜기 /나 _꺼짐 전류 비율은 긴 채널 효과로 인해 발생할 수 있습니다. GNM의 순 구조는 장치의 전도 채널을 증가시켰고, 내부 나노홀의 경계는 양자 구속을 강화했으며[34], 국소화 효과는 가장자리와 같은 가장자리 결함으로 인해 발생했습니다. 무질서 [35] 및/또는 탄소 매달린 π에 흡수된 종 - 내부 나노홀의 결합 [36, 37]. r-GNM의 내부 경계는 다른 기하학적 구조로 인해 c-GNM보다 훨씬 큽니다. 또한 c-GNM의 원형 가장자리는 더 많은 결함을 가지고 있어 측면 양자 구속을 더욱 두드러지게 하여 밴드 갭을 증가시킵니다. 이는 또한 내가 _켜기 /나 _꺼짐 r-GNM의 전류 비율은 c-GNM의 전류 비율보다 큽니다. 그림 4a, b에서 r-GNM 및 c-GNM 기반 장치는 약 - 5 V에서 Dirac 지점에 해당하는 최소값으로 명확한 컨덕턴스를 나타냄을 확인했습니다. 임계 전압은 전압을 사용하여 얻습니다. 전도 시간에서 중성점 전압을 뺀 값. 그림 4a, b에서 디바이스의 임계 전압은 30nm 크기의 c-GNM 및 r-GMN에 대해 약 15V임을 알 수 있습니다. 얻은 상동 전도도는 그림 4c에 표시됩니다. 장치의 전극은 원래 그래핀에 직접 만들어집니다. 채널들 사이의 그래핀만이 나노메쉬로 만들어지고, 금속 전극과 반금속의 깨끗한 그래핀의 하부 사이의 접촉 저항은 상대적으로 작다. 채널 저항은 주로 그래핀 나노메쉬의 저항이다. 전도성 채널의 동일한 면적에서 면적 듀티비가 더 크기 때문에 c-GNM 기반 장치의 전도도는 r-GNM 기반 장치의 전도도보다 높은 것으로 나타났습니다. 이전에 보고된 GNR[38] 또는 다른 GNM[39]과 비교하여 우리의 c-GNM 및 r-GNM 샘플은 넓은 면적과 균일한 크기로 인해 더 높은 전류를 전달할 수 있습니다.

전달 특성(I _ds − V _g ) a 기반 기기 c-GNM 및 b V에서 너비가 다른 r-GNM _ds =2 V. V _일 30nm 소자의 (전도 전압 값에서 중성점 전압 값을 뺀 값)은 약 15V입니다. c r-GNM(검정색) 및 c-GNM(빨간색)의 전도도 대 목 너비

그림 5a는 소스 및 드레인 전극이 있는 GNR에 대한 개략적인 에너지 밴드 다이어그램을 보여줍니다. 소스 및 드레인 레벨은 소스-드레인 전압(V _DS ). 전도(가전자) 대역 가장자리가 소스 전극과 드레인 전극 사이의 바이어스 창으로 떨어지면 소스(드레인)에서 전자(정공)가 주입되고 전류 I 급격히 상승합니다. 게이트 전압은 소스-드레인 레벨을 기준으로 갭의 위치를 ​​조정합니다. 나의 곡선 _DS 대 V _DS V에서 _GS 넥 너비가 30 및 40 nm인 r-GNM 및 c-GNM에 대한 전하 중성 전압 근처의 바이어스는 그림 5b, c에 나와 있으며, 이는 다음에 따라 "켜기" 및 "끄기" 영역을 명확하게 보여줍니다. 페르미 준위의 위치. GNM의 Neck 너비가 증가함에 따라 낮은 컨덕턴스 창의 크기가 감소했습니다. 너비가 30 및 40 nm인 r-GNM의 경우 에너지 갭은 각각 0.23 및 0.17 eV로 추정되었습니다(그림 5b). 그림 5c는 폭이 30 nm와 40 nm인 c-GNM에 대해 각각 0.19 및 0.16 eV가 되는 에너지 밴드 갭을 보여줍니다. 이러한 값은 밴드 갭이 GNM 채널의 네크 너비에 반비례한다는 것을 암시하며, r-GNM에 더 많은 에지 결함이 존재하면 밴드 갭을 개선할 수 있습니다[23].

아 소스 및 드레인 전극이 있는 GNR의 개략적인 에너지 밴드 다이어그램. 나의 곡선 _DS 대 V _DS V에서 _GS b에 대한 전하 중성 전압 근처의 바이어스 r-GNM 및 c c-GNM

또한, r-GNM에 대한 광전류 테스트를 수행하기 위해 그림 6a에 제시된 광학 시스템으로 r-GNM 장치의 광전자 특성을 조사했습니다. 시스템에서 3THz 대역 통과 필터가 있는 흑체 소스를 사용하여 테라헤르츠 복사를 생성했으며 a.c. 초핑 주파수를 기준으로 하는 잠금 증폭기를 사용하여 얻은 광전류 진폭. 소스-드레인 바이어스 전압을 적용하지 않으면 광전류 진폭이 거의 0인 것으로 밝혀졌습니다. 금속 전극과 그래핀이 직접 접촉하기 때문에 방사선에 의해 생성된 광캐리어의 광전류가 상대적으로 약하고 서로 상쇄되어 외부 광전류가 거의 0에 가깝습니다.

아 테라헤르츠 테스트 실험 설정의 개략도. ㄴ 광전류 곡선 I _박사 r-GNM의 목 너비 대비

또한 GNM에서 생성된 전자-정공 쌍은 일반적으로 광전류에 기여하지 않고 극히 짧은 시간에 재결합합니다. 따라서 검출 광전류는 광생성된 전자-정공 쌍이 재결합되기 전에 분리하기 위해 외부 전압과 함께 존재한다. 여기에 보고된 조사에서 0.2V의 소스-드레인 전압이 인가되었고 다른 r-GNM 장치에 해당하는 0.28, 0.32, 0.4 및 0.93nA의 광전류가 그림 6b에서와 같이 3THz 복사에서 얻어졌습니다. 목 너비는 각각 30, 40, 50 및 60 nm입니다. 특히 광전류는 0.4nA에서 0.93으로 급격히 증가했다. 앞서 보고된 바와 같이 그래핀의 가시광선 흡수율은 약 2.3%로 열전효과로 볼 수 있다[40]. IR 이하의 에너지를 갖는 전자기파를 조사하는 동안, 레이저 흡수에 의한 그래핀의 열 가열은 그래핀의 전도도를 감소시키는 것으로 밝혀졌으며, 이는 조명 시 그래핀의 광전류 증가의 원인으로 열적 영향을 배제한 이유에 기여하였다. . 광전도 효과는 입사 광자 에너지가 GNM의 에너지 갭과 일치할 때 에너지 갭이 광자 유도 여기자의 분리를 강화하고 캐리어 추출 효율을 높여 광전류 값이 60 nm의 목 너비에서 급격히 증가함을 의미합니다.

GNM 기반 장치의 테라헤르츠 응답성을 얻기 위해 광원 전력을 보정하기 위해 Golay 세포 검출기(TYDEX GC-1P)를 사용했습니다. Neck 너비가 60nm인 r-GNM 장치의 응답성은 실온에서 12mA/W인 것으로 나타났습니다.

또한 샘플을 간단한 이중 초점 이미징 시스템에 넣어 주요 샘플의 이미징 테스트를 성공적으로 구현했습니다. 나노포지셔닝 시스템의 최대 이동 한계(25mm × 25mm)로 인해 한 부분의 테라헤르츠 이미지가 그림 7에 나와 있는 것처럼 주요 샘플의 프로필을 명확하게 보여줍니다. 또한 50 × 50개 지점을 연속 스캔하여 키 샘플의 테라헤르츠 영상을 완성하였으며, 1회 검출에 대한 응답 시간은 20ms 미만이었다. 이 작업은 우리의 r-GNM 장치가 거시적 샘플의 정확하고 빠른 이미징을 위한 테라헤르츠 검출기로 사용될 수 있음을 보여줍니다.

a 간의 금속 키 비교 광학 사진 및 b 테라헤르츠 이미지