De fabricage van grote, uniforme grafeen-nanomeshes voor snelle, kamertemperatuur directe Terahertz-detectie

Resultaten en discussie

Een schematische illustratie van de gefabriceerde terahertz-detectoren op basis van c-GNM's is afgebeeld in figuur 2a. De source- en drain-elektroden werden op de SiO₂ . aangebracht /Si-substraat met het enkellaags grafeen dat uit de c-GNM is gesneden. De typische geometrische structuur van de c-GNM wordt getoond in Fig. 2b. De continue GNM's met een groot oppervlak met een lengte van 20 m en een breedte van 60 m werden als kanaal gebruikt. Omdat grafeen een enkele laag met atomaire structuur is, kiezen we voor het siliciumnitride (Si₃ om de schade bij de productie van de oxidelaag te verminderen. N₄ ) PECVD-proces bij lage temperatuur om de diëlektrische laag te maken. Een bijkomend voordeel van siliciumnitride-isolatoren ten opzichte van siliciumoxide voor grafeenapparaten is hun hogere polaire optische fononfrequentie aan het oppervlak ∼ 110 versus ∼ 56 meV voor siliciumoxide, wat het belang van niet-elastische fononverstrooiing op afstand in het grafeenkanaal zou moeten verminderen [30]. Om de apparaten met verschillende nanostructuren verder te onderzoeken, werden ook de op r-GNR gebaseerde terahertz-detectoren voorbereid en de schematische illustratie wordt gegeven in figuur 2c. “W ” in Fig. 2b zijn d de nekbreedtewaarden, gedefinieerd als de minimale afstand tussen de meest aangrenzende nanogaten, wat de meest kritische parameter in de GNM is.

een Schematische weergave van de gefabriceerde terahertz-detectoren op basis van c-GNM. b Het structurele schema van c-GNM, waarbij W is de nekbreedte. c Schematische weergave van de gefabriceerde terahertz-detectoren op basis van r-GNM. d Het structurele schema van r-GNM

Elektrische metingen werden uitgevoerd bij kamertemperatuur om meer inzicht te krijgen in het effect van nekbreedte in onze GNM op de prestaties van detectoren. Hierin werden vier r-GNM- en c-GNM-arrays met nekbreedtes van respectievelijk 30, 40, 50 en 60 nm gemodelleerd door EBL. Figuur 3a presenteert de SEM-afbeeldingen van r-GNM's met verschillende nekbreedtes. Figuur 3b illustreert de c-GNM's met verschillende nekbreedtes. In dit werk is de nekbreedte van de GNM consistent met het lay-outontwerp door de etstijd en de etskracht te regelen. Tijdens het focussen van SEM-foto's heeft het scanning-elektron een bepaald effect op het grafeen, wat leidt tot het verschil in de SEM-beeldkleur van grafeen, maar de mesh-morfologie en grootte van grafeen nanomesh wordt niet beïnvloed. Zoals deze afbeeldingen duidelijk laten zien, kunnen zowel c-GNM-arrays als r-GNM-arrays op grote schaal uniform worden vervaardigd met behulp van EBL.

een SEM-afbeeldingen van c-GNM's met nekbreedtes van (i) 60, (ii) 40, (iii) 50 en (iv) 30 nm. b SEM-beelden van r-GNM's met nekbreedtes van (i) 60, (ii) 40, (iii) 50 en (iv) 30 nm

Om de elektronische eigenschappen van de GNM te onderzoeken, werden FET-apparaten gefabriceerd op basis van de GNM's met nekbreedtes van respectievelijk 30, 40, 50 en 60 nm. Tot op zekere hoogte kan de GNM worden beschouwd als een sterk onderling verbonden netwerk van GNR's, en zowel theoretisch als experimenteel werk heeft aangetoond dat de grootte van de geleidingsbandafstand omgekeerd evenredig is met de lintbreedte. Dat wil zeggen, een smallere nekbreedte zal voldoende bandgap-energie opleveren voor voldoende gate-respons en een aan-uit-verhouding, en een dichtere maasstructuur zou een hogere stroomafgifte mogelijk kunnen maken [25].

Figuur 4a toont de overdrachtskarakteristieken bij V _ds = 2 V voor de apparaten op basis van c-GNM's met verschillende nekbreedtes van 30, 40, 50 en 60 nm, waaruit we de corresponderende I konden bepalen _aan /Ik _uit verhoudingen van respectievelijk ~ 40, ~ 25, ~ 5 en ~ 4. De overdrachtskenmerken voor de apparaten op basis van r-GNM's met verschillende nekbreedtes van 30, 40, 50 en 60 nm worden weergegeven in figuur 4b. Als we Fig. 4a, b vergelijken, kunnen we zien dat de geleidingsstroom van c-GNM's veel groter is dan die van r-GNM's (ongeveer twee keer). Als resultaat van GNM kan worden gezien als een onderling verbonden netwerkstructuur van grafeen, het werkelijke gebied van c-GNM dat stroom levert is groter dan dat van r-GNM, dit leidt tot de stroom van c-GNM groter dan r-GNM onder de dezelfde voorwaarden. Bovendien, de I _aan /Ik _uit verhoudingen van r-GNM's met verschillende nekbreedtes van 30, 40, 50 en 60 nm die werden verkregen waren respectievelijk ~-100, ~ 25, ~ 8 en ~ 3, wat aangeeft dat de I _aan /Ik _uit verhouding van de op GNM gebaseerde apparaten kan gemakkelijk worden afgesteld door de nekbreedte te variëren, die een belangrijke rol speelt bij de eigenschappen van ladingstransport. Er werd opgemerkt dat de op GNM gebaseerde apparaten in deze brief een hogere I . hadden _aan /Ik _uit verhoudingen dan veel andere op GNR gebaseerde apparaten met kleinere breedtes [17]. Aangezien de GNM kan worden beschouwd als een onderling verbonden netwerk van GNR's, is het genereren van de bandgap ook te wijten aan meerdere factoren, waaronder laterale kwantumopsluiting [31] in de transmissierichting en een Coulomb-blokkade [32] als gevolg van het randdefect of de ruwheid [33]. Zo'n grote ik _aan /Ik _uit stroomverhouding kan het gevolg zijn van het lange-kanaaleffect:de nettostructuren van de GNM's verhoogden het geleidingskanaal van het apparaat, de grens van de interne nanogaten verbeterde kwantum-opsluiting [34], en lokalisatie-effecten werden veroorzaakt door randdefecten, zoals randdefecten stoornis [35] en/of soort geabsorbeerd op de koolstof bungelend π -bindingen in de interne nanogaten [36, 37]. De interne grens van de r-GNM's is veel groter dan die van de c-GNM's vanwege de verschillende geometrieën. Bovendien heeft de cirkelvormige rand van de c-GNM meer defecten, waardoor de laterale kwantumopsluiting opmerkelijker is om de bandafstand te vergroten. Deze kunnen ook verklaren waarom de I _aan /Ik _uit stroomverhouding van de r-GNM's is groter dan die van de c-GNM. Uit Fig. 4a, b wordt bepaald dat de apparaten op basis van r-GNM en c-GNM een duidelijke geleiding vertoonden met een minimumwaarde die overeenkomt met het Dirac-punt bij ongeveer -5 V. De drempelspanning wordt verkregen door gebruik te maken van de spanning bij geleidingstijd minus de nulpuntspanning. Uit Fig. 4a, b kunnen we zien dat de drempelspanning van het apparaat ongeveer 15 V is voor c-GNM en r-GMN van 30 nm. De verkregen homologe geleidbaarheid wordt weergegeven in figuur 4c. De elektroden van het apparaat zijn direct op het originele grafeen gemaakt. Alleen het grafeen tussen de kanalen wordt tot nanomesh gemaakt en de contactweerstand tussen de metalen elektrode en de onderkant van het ongerepte halfmetalen grafeen is relatief klein. De kanaalweerstand is voornamelijk de weerstand van het grafeen nanomesh. Vanwege een grotere werkverhouding op hetzelfde gebied van het geleidende kanaal, bleek de geleidbaarheid van de op c-GNM gebaseerde apparaten hoger te zijn dan die van de op r-GNM gebaseerde apparaten. Vergeleken met GNR's [38] of andere GNM's [39] die eerder werden gerapporteerd, kunnen onze c-GNM- en r-GNM-monsters een hogere stroom leveren vanwege hun grote oppervlakte en uniforme grootte.

Overdrachtskenmerken (I _ds − V _g ) van de apparaten op basis van a c-GNM en b r-GNM met verschillende breedtes bij V _ds = 2 V. De V _Do (de geleidingsspanningswaarde minus de spanningswaarde van het neutrale punt) van het 30-nm-apparaat is ongeveer 15 V. c Geleidbaarheid versus de nekbreedte voor r-GNM (zwart) en c-GNM (rood)

Figuur 5a toont het schematische energiebanddiagram voor GNR's met source- en drainelektroden. De source- en drain-niveaus naderen respectievelijk de geleidings- en valentiebandranden met een toename van de source-drain-spanning (V _DS ). Wanneer de rand van de geleidingsband (valentie) in het voorspanningsvenster tussen de source- en drain-elektroden valt, worden elektronen (gaten) vanuit de source (drain) geïnjecteerd en de stroom I stijgt sterk. De poortspanning past de positie van de opening aan ten opzichte van de source-drain-niveaus. Curven van I _DS versus V _DS op een V _GS bias nabij de ladingsneutrale spanning voor r-GNM's en c-GNM's met nekbreedtes van 30 en 40 nm worden geïllustreerd in Fig. 5b, c, die duidelijk de "inschakel" en "uitschakel" -gebieden tonen, afhankelijk van de locatie van het Fermi-niveau. Met een toename van de nekbreedte van de GNM, nam de grootte van het laaggeleidende venster af. Voor de r-GNM's met breedtes van 30 en 40 nm werden de energiehiaten geschat op respectievelijk 0, 23 en 0, 17 eV (figuur 5b). Figuur 5c illustreert dat de energiebandafstand 0,19 en 0,16 eV is voor de c-GNM met breedtes van respectievelijk 30 en 40 nm. Deze waarden suggereren dat de bandgap omgekeerd evenredig was met de nekbreedtes van de GNM-kanalen, en het bestaan ​​van meer randdefecten in r-GNM kan de bandgap verbeteren [23].

een Schematisch energiebanddiagram voor een GNR met source- en drainelektroden. Curven van I _DS versus V _DS op een V _GS bias nabij de ladingneutrale spanning voor b r-GNM en c c-GNM

Bovendien werden de opto-elektronische eigenschappen van r-GNM-apparaten onderzocht door het optische systeem gepresenteerd in Fig. 6a om fotostroomtests uit te voeren voor de r-GNM. In het systeem werd een blackbody-bron met een 3-THz banddoorlaatfilter gebruikt om de terahertz-straling te genereren, en we maten de a.c. fotostroomamplitudes die werden verkregen met behulp van een lock-in-versterker met verwijzing naar de hakfrequentie. De amplituden van de fotostroom bleken bijna nul te zijn zonder een source-drain-biasspanning toe te passen. Door het directe contact van de metalen elektrode en grafeen was de door straling gegenereerde fotostroom van fotodragers relatief zwak en werkte deze met elkaar tegen, wat resulteerde in een externe fotostroom van bijna nul.

een Schematisch diagram van de terahertz-proefopstelling. b Curven van fotostroom I _Ph versus nekbreedte van r-GNM's

Bovendien zouden de elektron-gatparen die in de GNM worden gegenereerd normaal gesproken in extreem korte tijd recombineren, zonder bij te dragen aan de fotostroom. Daarom bestond de detectiefotostroom met een externe spanning om de door foto gegenereerde elektron-gatparen te scheiden voordat ze opnieuw combineerden. In het hier gerapporteerde onderzoek werd een source-drain-spanning van 0,2 V toegepast en werden fotostromen van 0,28, 0,32, 0,4 en 0,93 nA verkregen onder 3 THz-straling, zoals weergegeven in figuur 6b, overeenkomend met verschillende r-GNM-apparaten met nekbreedtes van respectievelijk 30, 40, 50 en 60 nm. Met name de fotostroom nam sterk toe tot 0,93 van 0,4 nA. Zoals eerder gemeld, is de absorptiesnelheid van grafeen in zichtbaar licht ongeveer 2,3%, wat kan worden beschouwd als het thermo-elektrische effect [40]. Terwijl onder bestraling van elektromagnetische golven met energie onder de IR, bleek thermische verwarming van grafeen veroorzaakt door laserabsorptie de geleidbaarheid van grafeen te verminderen, wat bijdroeg aan de reden waarom thermische effecten werden uitgesloten als de oorzaak van de verhoogde fotostroom van grafeen wanneer verlicht . Fotogeleidende effecten betekenen dat wanneer de invallende fotonenergie overeenkomt met de energiekloof van de GNM's, de energiekloof een verbeterde scheiding van foton-geïnduceerde excitonen en een hogere efficiëntie van de extractie van dragers kan veroorzaken, zodat de fotostroomwaarde sterk toeneemt bij een nekbreedte van 60 nm.

Een Golay-celdetector (TYDEX GC-1P) werd gebruikt om het lichtbronvermogen te kalibreren om de terahertz-responsiviteit van onze op GNM gebaseerde apparaten te verkrijgen. De responsiviteit van de r-GNM-apparaten met een nekbreedte van 60 nm bleek 12 mA/W te zijn bij kamertemperatuur.

Bovendien werd de beeldvormingstest van het sleutelmonster met succes gerealiseerd door het monster in een eenvoudig dual focus imaging-systeem te plaatsen. Vanwege de maximale bewegingslimiet (25 mm  ×  25 mm) van het nanopositioneringssysteem, werd het terahertz-beeld van één onderdeel verkregen, zoals geïllustreerd in figuur 7, dat duidelijk het profiel van het sleutelmonster laat zien. Verder werd het terahertz-beeld van het sleutelmonster voltooid door continu 50 × 50 punten te scannen met een totale tijd van ongeveer 75 s, waarbij de responstijd voor één enkele detectie minder dan 20 ms is. Dit werk toont aan dat ons r-GNM-apparaat kan worden gebruikt als een terahertz-detector voor nauwkeurige en snelle beeldvorming van macroscopische monsters.

Vergelijking van een metalen sleutel tussen a het optische beeld en b het terahertz-beeld