home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Infraroodeigenschappen en Terahertz-golfmodulatie van grafeen/MnZn-ferriet/p-Si heterojuncties

Abstract

Dunne MnZn-ferrietfilms werden afgezet op p-Si-substraat en gebruikt als de diëlektrische laag in de grafeen-veldeffecttransistor voor toepassingen met infrarood- en terahertz-apparaten. De omstandigheden voor MnZn-ferriet-dunne-filmafzetting werden geoptimaliseerd vóór de fabricage van het apparaat. De infraroodeigenschappen en terahertz-golfmodulatie werden bestudeerd bij verschillende poortspanningen. De resistieve en magnetische MnZn-ferrietfilms zijn zeer transparant voor THz-golven, wat het mogelijk maakt om de uitgezonden THz-golf magnetisch te moduleren via de grote magnetoweerstand van grafeenmonolaag.

Achtergrond

Infrarood (IR) en terahertz (THz) apparaten zijn van groot belang voor veel elektronische systemen zoals radar [1], draadloze communicatie [2] en beveiligingssystemen [3]. Het is dus van cruciaal belang om de materialen [4,5,6,7] en structuren [8,9,10,11,12,13,14] te onderzoeken die kunnen worden gebruikt in het infrarood- en terahertz-bereik. Onlangs is gevonden dat de transmissie van THz-golven kan worden gemoduleerd met grafeen-veldeffecttransistor (GFET) door de intrabandovergangen van grafeenmonolaag [8] af te stemmen. In hun originele GFET THz-modulator gebruiken B. Sensale-Rodeiguez en collega's 92 nm SiO2 als het gate-diëlektrische materiaal, dat een modulatiediepte van 15% en een modulatiesnelheid van 18 Kb/s THz-golf [8] bereikte. D. Zhang en collega's onderzochten de optische THz-modulatie van grafeen/SiO2 (150 nm)/p-Si GFET, die kan worden afgestemd door gate-spanning [15].

Later werd ontdekt dat de THz-golfmodulatie van GFET kon worden verbeterd door het poortdiëlektricum te vervangen door hoge-k en dichte Al2 O3 dunne film, die is gegroeid door atomaire laagafzetting [16]. Modulatiediepte van 22% en snelheid van 170 kHz werd bereikt in de grafeen/Al2 O3 (60 nm)/p-Si GFET door de poortspanning te variëren [16]. De verbeterde modulatie wordt toegeschreven aan de verminderde Coulomb-onzuiverheidsverstrooiing en het holte-effect [16]. Verder, door Bi-gedoteerde YIG (k ~ 12.0) als diëlektrische materialen in de grafeen / Bi:YIG (50 nm) / p-Si heterostructuur te gebruiken, werden modulatiediepte van 15% en een snelheid van 200 kHz bereikt van 0,1 tot 1,2 THz door poortspanning [17] toe te passen.

Volgens eerdere studies kan de diëlektrische laag de prestaties van GFET die werd gebruikt voor THz- en infraroodgolfapparaten grotendeels beïnvloeden. Door de diëlektrische materialen zorgvuldig te screenen, is het mogelijk om de prestaties van GFET af te stemmen. In eerdere studies werden niet-magnetische high-k diëlektrische lagen gebruikt voor terahertz en infrarood GFET-apparaten, waar een elektrisch signaal wordt geëxtraheerd of toegepast. Bifunctionele magnetische en diëlektrische lagen zijn echter niet bestudeerd voor GFET voor terahertz- en infraroodtoepassingen, die kunnen worden afgestemd door een extern magnetisch veld. Hier introduceren we 150 nm gesputterde dunne MnZn-ferrietfilms als de diëlektrische materialen van GFET voor THz- en infraroodtoepassingen. Als een hoge-k [18] en magnetische materialen, zouden dunne MnZn-ferrietfilms kunnen presteren als een uitstekende diëlektrische laag en ook nieuwe functionaliteiten introduceren in de GFET THz- en infraroodapparaten. De respons van het grafeen / MnZn-ferriet / p-Si GFET op de infraroodverlichting werd waargenomen door de IV-curven met en zonder infraroodverlichting bij verschillende poortbias te vergelijken. Ondertussen werd elektrische modulatie van de THz-golf bereikt door de GFET terwijl de poortspanning werd gevarieerd. Er werd ook een subtiele verandering van de uitgezonden THz-golf waargenomen naarmate het externe magnetische veld werd gevarieerd.

Methoden

Mn1-x Znx Fe2 O4 dunne films werden bereid door RF-magnetronsputtering. Het doelmateriaal werd geproduceerd door co-precipitatie van Fe(NO4 )3 , Mn(NEE4 )3 , en Zn(NEE4 )2 oplossing, die gedurende 2 uur bij 950-1000 ° C wordt gecalcineerd, vervolgens in een schijf van 60 mm wordt geperst en ten slotte gedurende 3,5 uur bij 1250 ° C wordt gesinterd. De films werden afgezet op (100) p-Si-substraten bij 200-300 °C onder een basisdruk van 4 × 10 −4 Pa- en zuurstofconcentratie van 0-25% (PO2 /(PO2 + PAr )). De film (150 nm) werd gedurende 1,5 uur in vacuüm tussen 400 en 700 °C onder een druk van 0,08 Pa–5,0 Pa uitgegloeid.

De kristalstructuren van Mn1-x Znx Fe2 O4 dunne films werden gekarakteriseerd met behulp van Cu Kα-röntgendiffractie (XRD, D / max 2400 X-serie röntgendiffractometer, Tokyo, Japan) bij 40 kV en 100 mA. De microstructuren van de Mn1-x Znx Fe2 O4 dunne films werden onderzocht met behulp van een scanning elektronenmicroscoop (SEM:JOEL JSM6490LV). De oppervlakte-rekenkundige gemiddelde ruwheid (Ra) en wortelgemiddelde kwadratische ruwheid (RMS) zijn gemeten met een atomaire krachtmicroscoop (AFM:Veeco Mutimode Nano4). De verzadigingsinductie werd getest door een Iwatsu BH-analysator (SY8232). De magnetische eigenschappen van de films werden gemeten met een vibrerende monstermagnetometer (VSM, MODEL:BHV-525).

Na het optimaliseren van de groeiomstandigheden van Mn1-x Znx Fe2 O4 dunne films op p-Si, grafeenmonolagen werden vervolgens overgebracht van koperfolie op de Mn1-x Znx Fe2 O4 dunne films om grafeen / MnZn-ferriet / p-Si-heterostructuren te vormen. Grafeen werd vervaardigd door middel van chemische dampafzetting (CVD) in een buisoven [19]. De overdrachtsmethode van grafeenmonolaag is aangepast van referentie [20]. Om de GFET te fabriceren, werd de elektrode van poort, bron en afvoer afgezet door goudverdamping. De structuur van de GFET die MnZn-ferriet als gate-diëlektrisch materiaal gebruikt, wordt getoond in Schema 1. De GFET werd vervolgens gekarakteriseerd door een halfgeleiderparameteranalysator (Agilent 4155B) met een sondestation (SUMMIT 1100B-M). Voor IR-karakterisering werden de I-V-curven gemeten onder de IR-verlichting (λ = 915 nm, P = 1 W), die werd vergeleken met die in de donkere omgeving. Terahertz-golftransmissie werd gemeten door een THz-tijddomein (TDS) -systeem bij toepassing van poortspanning en / of extern magnetisch veld. Het externe magnetische veld wordt opgewekt door een zelfgemaakte koperen spoel.

De GFET gebruikt een dunne film van 150 nm MnZn-ferriet als diëlektrisch materiaal voor de poort

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont de XRD-patronen van de Mn1-x Znx Fe2 O4 ferrieten dunne films op p-Si (100) substraten gesputterd onder RF-vermogens van respectievelijk 100, 120, 140, 160 en 180 W. Spinelstructuur van dunne MnZn-ferrietfilms werd verkregen onder verschillende sputterkrachten. De (311) diffractiepiek is de sterkste, wat de beste kristalliniteit aangeeft bij een afzettingsvermogen van 160 W. Tabel 1 toont de rekenkundige oppervlakteruwheid (Ra) en wortelgemiddelde kwadratische ruwheid (RMS), en de lengte en breedte van maximale korrels van de ferrietfilms op de p-Si (100) substraten. Zoals weergegeven in tabel 1, neemt de oppervlakteruwheid (Ra en RMS) van de dunne MnZn-ferrietfilms toe met het RF-vermogen. Een zeer laag RF-vermogen zal echter de vorming van dunne MnZn-ferrietfilms beïnvloeden. De ruwheid van de dunne MnZn-ferrietfilms zou de prestaties van de GFET IR- en THz-apparaten beïnvloeden, die we later zullen bespreken.

XRD-patronen van monsters op p-Si(100)-substraat en gesputterd onder verschillende RF-magnetronsputtervermogens 100, 120, 140, 160 en 180 W

De SEM- en AFM-beelden van de dunne MnZn-ferrietfilms op p-Si-substraten worden getoond in Fig. 2. De korrels van de dunne MnZn-ferrietfilms konden duidelijk worden waargenomen. Na het uitgloeien neemt de korrelgrootte toe zoals getoond in Fig. 2b, d. Figuur 3a toont de XRD-patronen van de dunne MnZn-ferrietfilms die bij verschillende temperaturen zijn uitgegloeid. De (311) piek van de dunne MnZn-ferrietfilm is het sterkst wanneer de film wordt uitgegloeid bij 550 °C. De magnetische hysteresislussen van deze dunne films werden ook gemeten door VSM bij kamertemperatuur en worden getoond in Fig. 3b, waaruit de verzadigingsmagnetisatie (Ms ) en magnetische coërciviteit (Hc ) zijn verkregen. Afbeelding 3c toont de Ms en Hc van de dunne MnZn-ferrietfilms gegloeid onder de druk van stikstofgas tot 4 Pa. Onder 3 Pa is de hoogste Ms en laagste Hc worden verkregen bij 0,5 Pa. Boven 3 Pa neemt de Ms dramatisch af, wat zou kunnen komen door de reactie tussen stikstofgas en de dunne film. Afbeelding 3d toont Mevrouw en Hc van de dunne ferrietfilm als functie van de gloeitemperatuur bij een stikstofdruk van 1,5 Pa. De Ms (Hc ) waarde van de MnZn dunne films bereikt de maximale (minimale) waarde van 330 kA/m (1600 A/m =20 Oe) bij 550 °C. De maximale Mevrouw en de minimale Hc overeenkomend met de beste kristalliniteit van de MnZn-dunne films, wat in overeenstemming is met de XRD-gegevens in Fig. 3a. Bij hogere temperatuur en gasdruk werden de oppervlakte-atomen van de dunne film genitreerd tot onzuiverheden, die de magnetische eigenschappen van MnZn-ferriet dunne film verslechteren. Als resultaat werden de dunne MnZn-films bereid bij een gloeitemperatuur van 550 °C en onder vacuümdruk van minder dan 3 Pa.

SEM-afbeeldingen van (a ) zoals gedeponeerd en (b ) gegloeid MnZn ferriet dunne film, (c ) en (d ) toon de bijbehorende AFM-afbeeldingen

Karakterisering van gesputterde dunne MnZn-films. (een ) XRD-patronen en (b ) hysteresislussen van dunne MnZn-films gegloeid bij 350, 450, 550, 650 en 750 ° C. Verzadigingsmagnetisatie (Mevrouw ) van de dunne MnZn-films wanneer ze worden uitgegloeid onder een druk van 0,0 Pa tot 4,5 Pa in (c ) en temperatuur van 450 tot 700 °C in (d )

Grafeen dat op dezelfde koperfolie was gegroeid, werd vervolgens overgebracht op dunne MnZn-ferrietfilms om GFET's te maken met de structuur die wordt weergegeven in Schema 1. Hier hebben we GFET gefabriceerd met dunne MnZn-ferrietfilms gesputterd bij 100 en 150 W en uitgegloeid in de optimale toestand zoals hierboven besproken . Figuur 4a, b toont de elektrische stroom gemeten tussen afvoer en bron als functie van de aangelegde poortspanning voor de twee GFET's. Tijdens de meting wordt de aangelegde spanning tussen source en drain constant op 1 V gehouden. De stroom neemt geleidelijk toe naarmate de gate-spanning negatief werd verhoogd. De stroom verandert zeer langzaam wanneer de poortspanning positief is voorgespannen. De asymmetrische IV-kenmerken van de twee GFET's kunnen het gevolg zijn van de thermo-ionische emissie en interband-tunneling op de kruispunten tussen de gated en access-regio's [21]. De weerstand van het grafeen op de 100 W gesputterde dunne film van MnZn-ferriet is veel kleiner dan die op de 150 W gesputterde dunne film bij dezelfde gate-bias, vergeleken in Fig. 4a, b. De grotere weerstand in Fig. 4b zou het resultaat kunnen zijn van een grotere ruwheid van de 150 W gesputterde dunne MnZn-ferrietfilms, in vergelijking met tabel 1. De door ruwheid geïnduceerde golving van de grafeenmonolaag zou het transport van ladingsdragers kunnen onderdrukken, wat leidt tot een hogere weerstand [22].

IR-karakterisering. (een ) en (b ) Isd -Vsg krommen van de GFET met MnZn-ferriet dunne film gesputterd bij respectievelijk 100 en 150 W. (c ) en (d ) vergelijk de Isd -Vsg bochten onder IR-verlichting en geen verlichting. De spanning tussen source en drain is 1,0 V voor alle curven

Figuur 4c, d toont de vergelijking van de IV-curven onder een donkere omgeving en infraroodverlichting voor GFET's met respectievelijk 100 en 150 W gesputterde dunne MnZn-ferrietfilms. Het infraroodlicht heeft een golflengte van 915 nm en een vermogen van 1 W in een venster van ~1 cm 2 . De aangelegde spanning tussen source en drain is 1 V. De IV-curve van de GFET onder infraroodverlichting is analoog aan die gemeten in de donkere omgeving, maar met een aanzienlijk verhoogde stroom. De verbetering is veel sterker voor de GFET met behulp van 100 W gesputterde MnZn-ferriet dunne films als diëlektrische laag dan die met 150 W gesputterde MnZn-ferriet dunne film. De verbetering is ~ 7,5 keer bij een poortspanning van 10 V voor 100 W gesputterde MnZn-ferriet dunne film, wat ~ 2,5 keer is voor de 150 W gesputterde MnZn-ferriet dunne film. De oppervlakteruwheid van dunne MnZn-ferrietfilms zou namelijk ook de infrarode opto-elektronische eigenschappen kunnen beïnvloeden.

De GFET met 100 W gesputterde dunne MnZn-ferrietfilms werd vervolgens gebruikt om de modulatie-eigenschappen van THz-golven te onderzoeken. Figuur 5a toont de transmissie van THz-golven door de GFET bij toepassing van verschillende gate-bias. De transmissie werd gemeten door een THz-puls met behulp van een THz-TDS-systeem en de transmissie in het frequentiedomein werd verkregen door Fourier-transformatie met lucht als basislijn. Wanneer de poortspanning wordt gevarieerd van 25 V tot -25 V, wordt de weerstand tussen de source en drain verlaagd, zoals weergegeven in figuur 4a. De vermindering van de weerstand resulteert in de verminderde transmissie van de THz-golf, zoals weergegeven in figuur 5a . De transmissie van de THz-golf zou namelijk kunnen worden gemoduleerd door verschillende poortspanningen van de GFET aan te leggen. De uitgezonden THz-golf werd ook gemeten wanneer een extern magnetisch veld werd aangelegd, wat wordt weergegeven in figuur 5b. Naarmate het externe magnetische veld toeneemt, neemt de intensiteit van de uitgezonden THz-golf af, die verzadigt boven 50 Oe. De verandering van de uitgezonden intensiteit van de THz-golf onder extern magnetisch veld kan te wijten zijn aan de extreem grote magnetoweerstand van grafeen [23]. De onderliggende dunne film van MnZn-ferriet zorgt voor een sterk randveld bij magnetisatie door een extern magnetisch veld. De magnetoweerstand van de grafeen/MnZn-ferriet/p-Si-hetrojunctie wordt weergegeven in aanvullend bestand 1:figuur S1 in de aanvullende informatie. De modulatie van de terahertz-golf is echter subtiel (5%), wat zou kunnen komen door het oneffen oppervlak van dunne MnZn-ferrietfilms en/of de kleine verandering van terahertz-modulatie met weerstand. Grafeen zou een veel sterker en uniform randveld kunnen voelen op een extreem gladde dunne film van MnZn-ferriet, die een grotere magnetoweerstand van grafeen zou kunnen hebben en een grotere modulatiediepte zou kunnen geven door een extern magnetisch veld.

THz karakterisering. (een ) Het spectrum van THz-transmissie van 0,2 tot 1,0 THz bij verschillende poortspanningen van −25 tot 25 V, en (b ) het frequentiedomeinspectrum onder verschillende externe magnetische velden van 0,63 tot 0,70 THz

Conclusies

Grafeen / MnZn-ferriet / p-Si-heterostructuur werd gefabriceerd voor IR- en THz-apparaattoepassingen. De dunne film van MnZn-ferriet werd op de p-Si afgezet door middel van magnetronsputteren, dat werd uitgegloeid voordat het werd gebruikt voor GFET-fabricage. De dunne MnZn-ferrietfilms bieden een alternatief diëlektrisch materiaal voor de GFET IR- en THz-apparaten. Als een magnetische en zeer resistente dunne film, kan het de magnetoweerstand van grafeen en modulatie van uitgezonden THz versterken zonder extra insertieverlies te veroorzaken. De oppervlakteruwheid van de dunne film van MnZn-ferriet kan de prestaties van de IR- en THz-apparaten grotendeels beïnvloeden. Hogere prestaties kunnen worden bereikt door de dunne film van MnZn-ferriet gladder te maken. Dergelijk werk is aan de gang.


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Grafeen in luidsprekers en oortelefoons
    2. Preparatie en magnetische eigenschappen van kobalt-gedoteerde FeMn2O4-spinel-nanodeeltjes
    3. Op weg naar TiO2-nanovloeistoffen:deel 1:voorbereiding en eigenschappen
    4. Modulatie van elektronische en optische anisotropie-eigenschappen van ML-GaS door verticaal elektrisch veld
    5. Dubbele niet-lineariteitsregeling van modus- en dispersie-eigenschappen in grafeen-diëlektrische plasmonische golfgeleider
    6. Bioveiligheid en antibacterieel vermogen van grafeen en grafeenoxide in vitro en in vivo
    7. Synergetisch effect van grafeen en MWCNT's op microstructuur en mechanische eigenschappen van Cu/Ti3SiC2/C nanocomposieten
    8. Evaluatie van grafeen/WO3 en grafeen/CeO x-structuren als elektroden voor supercondensatortoepassingen
    9. Frequentiemodulatie en absorptieverbetering van THz-microbolometer met microbrugstructuur door spiraalvormige antennes
    10. Eenstaps sonochemische synthese en fotokatalytische eigenschappen van grafeen/Ag3PO4 Quantum Dots Composites in één stap
    11. Voorbereiding van ultrahoog moleculair gewicht polyethyleen/grafeen nanocomposiet in situ polymerisatie via sferische en sandwichstructuur grafeen/Sio2 ondersteuning