High-Performance All-Optical Terahertz Modulator Gebaseerd op Graphene/TiO2/Si Trilayer Heterojunctions

Resultaten en discussie

De structuur van een volledig optisch grafeen/TiO₂ /p-Si THz-modulator is schematisch weergegeven in figuur 1a. De THz-golf en de laser vielen gelijktijdig in vanaf de grafeenzijde. De halfgeleiderlaser met een golflengte van 808 nm, een spotdiameter van ~ 5 mm en een vermogen van 0 tot 1400 mW werd toegepast als het modulerende signaal. De THz-straal (~ 3 mm) kan worden overlapt door de laserstraal. En de uitgezonden THz-golven werden gemeten door een THz-TDS-systeem bij verschillende laservermogens. Omdat de prestaties van grafeenmodulatoren relevant zijn voor de kwaliteit van grafeen, hebben we de kwaliteit van het overgedragen grafeen op Si en TiO₂ geëvalueerd. /p-Si-substraten door Raman-spectroscopie met een laser met een golflengte van 514 nm, zoals weergegeven in figuur 1b. Het is duidelijk dat de G-piek en 2D-piek van het grafeen op p-Si op ~ 1580 cm ⁻¹ liggen en 2681 cm ⁻¹ , respectievelijk. Voor het grafeen op TiO₂ /p-Si, de G-piek bevindt zich op ~ 1575 cm ⁻¹ en de 2D-piek bevindt zich op ~ 2667 cm ⁻¹ . Vergeleken met het Raman-spectrum van grafeen op silicium, zijn de G- en 2D-pieken van grafeen op TiO₂ /p-Si verschuiving naar links vanwege de stress op grafeen veroorzaakt door de insertie van TiO₂ . Bovendien zijn de D-pieken zwak voor zowel het grafeen op Si als TiO₂ /p-Si. De 2D-pieken passen op een enkele Lorentz-piek en zijn voor beide meer dan twee keer zo hoog als de G-pieken. De Raman-resultaten geven aan dat het overgedragen grafeen op Si en TiO₂ /p-Si is monolaag grafeen van hoge kwaliteit [31].

Experimenteel ontwerp en Raman-spectra van grafeen. een Schema van de volledig optische THz-modulator. De modulator is samengesteld uit een enkellaags grafeen op een p-Si-substraat met TiO₂ film. b Raman-spectra van het grafeen op de Si en TiO₂ /p-Si-substraten

Afbeelding 2a–c toont de THz-golftransmissie van de Si, grafeen/Si en grafeen/TiO₂ /Si bij verschillende laservermogens, respectievelijk, gemeten door het Fico THz-tijddomeinsysteem. Zonder foto-excitatie, Si, grafeen/Si en grafeen/TiO₂ /p-Si tonen een matige transmissie van ~  55% van de THz-golf als gevolg van de gedeeltelijke absorptie en reflectie van de dragers omdat het Si p-gedoteerd is. En de transmissies zonder foto-excitatie hebben geen noemenswaardig verschil voor allemaal, wat wijst op de TiO₂ en grafeen verzwakken de THz-golf niet als er geen foto-excitatie is. Daarom wordt er geen extra insertieverlies veroorzaakt door de TiO₂ en grafeen. Wanneer het vermogen van de 808 nm-laser toeneemt van 0 tot 1400 mW, neemt de transmissie af in het bereik van 0,3 THz tot 1,7 THz voor Si, grafeen/p-Si en grafeen/TiO₂ /p-Si. Wanneer bestraald door een laser met een energie groter dan de bandafstand van Si, zullen elektronen worden geëxciteerd van de valentieband naar de geleidingsband. De geëxciteerde elektron-gat-paren zullen aan het oppervlak worden gevormd, wat resulteert in een toename van de geleidbaarheid. En de THz-absorptie en reflectiviteit van halfgeleiders zijn afhankelijk van de verandering van geleidbaarheid. Daarom zal, wanneer de THz-golf door het door de laser bestraalde Si dringt, de intensiteit van de uitgezonden THz-golf afnemen. Bovendien zou het aantal elektron-gatparen geproduceerd door Si onder een 808 nm laserbestraling toenemen naarmate het laservermogen toeneemt. En de toename van de geleidbaarheid van Si zou resulteren in de verzwakking van de uitgezonden THz-golf. In figuur 2b neemt de transmissie van grafeen/Si aanzienlijk af met de toename van het laservermogen dan dat van silicium. Wanneer de laser op het grafeen/Si wordt gestraald, is de optische absorptie in het Si veel hoger dan die in het grafeen, dus het aantal gegenereerde dragers in het Si is veel groter dan dat in het grafeen. De vrije dragers zullen diffunderen van silicium naar grafeen onder invloed van de concentratiegradiënt. Grafeen heeft een hogere dragermobiliteit en ondergaat daarom een ​​grotere verandering in geleidbaarheid dan Si. Hoewel de absorptie en reflectiviteit van THz afhangen van de verandering van geleidbaarheid, is de modulatieprestatie van grafeen/p-Si verbeterd in vergelijking met Si. Zoals weergegeven in figuur 2c, neemt de transmissie-afname van grafeen/TiO₂ /p-Si is abrupt bij het laservermogen van 200 mW en 400 mW. Wanneer het laservermogen blijft toenemen, wordt de transmissiedaling milder. Terwijl het toegepaste laservermogen 1400 mW is, daalt de THz-transmissie tot ongeveer 10% in het bereik van 0,3 THz tot 1,7 THz. De modulatiediepten kunnen worden berekend door (T _{geen opwinding} − T_opwinding )/T _{geen opwinding} , waar T _{geen opwinding} en T _opwinding vertegenwoordigen de intensiteit van THz-transmissie zonder en met foto-excitatie, respectievelijk. Om de statische modulatieprestaties ervan intuïtiever te onthullen, hebben we de modulatiediepten uitgezet als functies van laservermogen voor Si, grafeen/Si en grafeen/TiO₂ /p-Si, zoals weergegeven in figuur 2d. De modulatiediepte van grafeen/Si is hoger dan die van Si, terwijl de modulatiediepte van grafeen/TiO₂ /p-Si is hoger dan grafeen/p-Si. De modulatiediepten van al deze apparaten nemen toe naarmate het laservermogen toeneemt. Wanneer bestraald met 200 mW, is de modulatiediepte van grafeen/TiO₂ /p-Si is ~-33%, ongeveer 6 keer hoger dan Si, 2,5 keer dan grafeen/Si, en hoger dan de THz-modulatoren op basis van grafeen-veldeffecttransistoren [21]. De modulatiediepte van grafeen/TiO₂ /p-Si kan 88% bereiken bij pompen door een 808-nm laser met een vermogen van 1400 mW, hoger dan de op grafeen gebaseerde modulator met gelijktijdige elektrische en optische excitaties [26]. Daarom kunnen we uit de statische test concluderen dat de modulator goed presteert met breedband en grote modulatiediepte.

De modulatietest. De transmissiespectra van de a Si, b grafeen/p-Si, en c grafeen/TiO₂ /p-Si bij verschillend laservermogen. d De modulatiediepte als functies van laservermogen voor Si, grafeen/Si en grafeen/TiO₂ /p-Si modulatoren

Om het energiebanddiagram van grafeen/TiO₂ . te verkrijgen /Si-modulator, hebben we de UV-zichtbare spectrofotometer en de UPS-metingen gedaan, zoals weergegeven in figuur 3. Volgens figuur 3a kunnen we berekenen dat de bandafstand van Si en TiO₂ is respectievelijk 1,19 en 2,98 eV. Afbeelding 3b toont de UPS-metingen op Si, TiO₂ , grafeen en Au. Om de Fermi-niveaupositie van de meter te bevestigen, hebben we de UPS-metingen op Au [32] uitgevoerd. En Fig. 3c en d zijn de vergrote delen van Fig. 3b. Uit Fig. 3c is de aanvang van het secundaire elektron van de spectra 16,33, 16,97, 16,43 en 17,11 eV voor Si, TiO₂ , grafeen en Au respectievelijk. Daarom is de Fermi-niveaupositie van de meter 0,98 eV en de werkfunctie van Si, TiO_2, en grafeen wordt berekend op respectievelijk 5,85, 5,21 en 5,75 eV. Volgens Fig. 3(d), de waarde van de maximale valentieband van Si en TiO₂ bevindt zich op 1,48 en 2,86 eV. Het valentiebandniveau van Si en TiO₂ wordt berekend op − 6,35 en − 7,09 eV. Combineren met de band gap van Si en TiO₂ , kunnen we het geleidingsbandniveau van Si en TiO₂ . krijgen , wat − 5.16 en − 4.11 eV is.

Absorptiespectra en UPS-spectra. een De absorptiespectra van Si en TiO₂ /Si. b UPS-spectra van Si, TiO₂ , grafeen en Au. c Vergrote delen van b met het begin van het secundaire elektron. d Vergrote delen van b met de maximale valentieband

Op basis van de bovenstaande resultaten is het energiebanddiagram van het grafeen/TiO₂ /Si heterojunctie wordt geïllustreerd in Fig. 4. E_c , E_v , en E_F duiden respectievelijk de geleidingsbandenergie, de valentiebandenergie en de Fermi-niveau-energie aan. TiO₂ staat in direct contact met p-Si, en de elektronen in TiO₂ recombineren met gaten in p-Si, wat resulteert in uitputtingslaag op het grensvlak. Sinds de TiO₂ is “zwakker” n-type, de uitputtingsbreedte in TiO₂ groter is dan in Si. Gezien de TiO₂ film is erg dun (~ 10 nm), een volledig uitgeputte toestand zou verschijnen in de TiO₂ laag. Toen grafeen werd overgebracht op TiO₂ /Si, er waren geen overtollige elektronen in de TiO₂ migreren naar het grafeen. Daarom zou er geen drageraccumulatielaag in donkere toestand zijn en THz presenteerde een hoge transmissie, wat consistent is met de resultaten in figuur 2b. Wanneer de grafeen/TiO₂ /p-Si heterojunctie werd aangeslagen door de 808-nm laser, de hoeveelheid gegenereerde elektron-gatparen in Si was veel groter dan in grafeen en TiO₂ . Na foto-excitatie steeg het Fermi-niveau van de Si bij de TiO₂ /p-Si-interface. Bovendien bewogen de elektronen naar TiO₂ en de gaten in de richting van Si vanwege het effect van het ingebouwde elektrische veld. Het bestaan ​​van TiO₂ verbeterde de scheiding van foto-geëxciteerde dragers in Si, waardoor een n-type geleidende laag werd gevormd in het dunne TiO₂ laag, waardoor de transmissie van THz-golven wordt belemmerd. Als de TiO₂ laag relatief dun is, is het effect op THz-transmissie iets minder. Na het overbrengen van grafeen op TiO₂ /p-Si, een groot aantal elektronen in TiO₂ zou worden geïnjecteerd in grafeen, waardoor het Fermi-niveau naar een hogere geleidingsband verschoof. Ondertussen nam de geleidbaarheid van grafeen toe, wat leidde tot een hogere verzwakking van de THz-golf. Zo werd een hoge modulatiediepte gerealiseerd.

Bandenschema van het grafeen/TiO₂ /Si heterojunctie