石墨烯/锰锌铁氧体/p-Si异质结的红外特性和太赫兹波调制

背景

红外 (IR) 和太赫兹 (THz) 设备对于许多电子系统非常重要，例如雷达 [1]、无线通信 [2] 和安全系统 [3]。因此，探索可用于红外和太赫兹范围的材料 [4,5,6,7] 和结构 [8,9,10,11,12,13,14] 至关重要。最近发现，通过调节石墨烯单层的带内跃迁，可以用石墨烯场效应晶体管 (GFET) 调制太赫兹波的传输 [8]。在他们最初的 GFET 太赫兹调制器中，B. Sensale-Rodeiguez 及其同事使用 92 nm SiO2 作为栅极介电材料，实现了 15% 的调制深度和 18 Kb/s 的太赫兹波调制速度 [8]。 D. Zhang 及其同事研究了石墨烯/SiO2 (150 nm)/p-Si GFET 的光学太赫兹调制，可通过栅极电压进行调谐 [15]。

后来发现可以通过用原子层沉积生长的高k和致密Al2O3薄膜代替栅极电介质来改善GFET的太赫兹波调制[16]。通过改变栅极电压，石墨烯/Al2O3 (60 nm)/p-Si GFET 实现了 22% 的调制深度和 170 kHz 的速度 [16]。改进的调制归因于减少的库仑杂质散射和腔效应 [16]。此外，通过在石墨烯/Bi:YIG (50 nm)/p-Si 异质结构中使用 Bi 掺杂的 YIG (k ~12.0) 作为介电材料，在 0.1 至 1.2 THz 范围内实现了 15% 的调制深度和 200 kHz 的速度通过施加栅极电压[17]。

根据之前的研究，介电层可以在很大程度上影响用于太赫兹和红外波器件的 GFET 的性能。通过仔细筛选介电材料，可以调整 GFET 的性能。在之前的研究中，非磁性高 k 介电层用于太赫兹和红外 GFET 器件，在这些器件中提取或应用电信号。然而，尚未研究用于太赫兹和红外应用的 GFET 的双功能磁性和介电层，这可以通过外部磁场进行调整。在这里，我们介绍了 150 nm 溅射 MnZn 铁氧体薄膜作为 GFET 的介电材料，用于太赫兹和红外应用。作为一种高 k [18] 和磁性材料，MnZn 铁氧体薄膜可以作为一种出色的介电层，并在 GFET 太赫兹和红外器件中引入新的功能。通过比较在不同栅极偏压下使用和不使用红外照明的 I-V 曲线，观察石墨烯/MnZn 铁氧体/p-Si GFET 对红外照明的响应。同时，随着栅极电压的变化，GFET 实现了太赫兹波的电调制。随着外部磁场的变化，透射的太赫兹波也有细微的变化。

方法

通过射频磁控溅射制备Mn1-xZnxFe2O4薄膜。目标材料是通过共沉淀 Fe(NO4)3、Mn(NO4)3 和 Zn(NO4)2 溶液，在 950–1000°C 下煅烧 2 小时，然后压制成 60 毫米盘，最后在 1250°C 下烧结 3.5 小时。在 4×10 ^-4 的基础压力下，在 200-300°C 下将薄膜沉积在 (100) p-Si 衬底上 Pa 和氧气浓度为 0–25% (PO2/(PO2 + PAr))。薄膜（150 纳米）在 400 到 700°C 的真空中在 0.08 Pa–5.0 Pa 的压力下退火 1.5 小时。

Mn1-xZnxFe2O4 薄膜的晶体结构使用 Cu Kα X 射线衍射（XRD，D/max 2400 X 系列 X 射线衍射仪，日本东京）在 40 kV 和 100 mA 下进行表征。使用扫描电子显微镜（SEM：JOEL JSM6490LV）研究了 Mn1-xZnxFe2O4 薄膜的微观结构。表面算术平均粗糙度（Ra）和均方根粗糙度（RMS）已通过原子力显微镜（AFM：Veeco Mutimode Nano4）测量。饱和感应由 Iwatsu BH 分析仪（SY8232）测试。采用振动样品磁强计（VSM，型号：BHV-525）测量薄膜的磁性能。

在优化 p-Si 上 Mn1-xZnxFe2O4 薄膜的生长条件后，将石墨烯单层从铜箔转移到 Mn1-xZnxFe2O4 薄膜上，形成石墨烯/MnZn 铁氧体/p-Si 异质结构。石墨烯是在管式炉中通过化学气相沉积 (CVD) 方法制造的 [19]。石墨烯单层的转移方法改编自参考文献[20]。为了制造 GFET，栅极、源极和漏极的电极通过金蒸发沉积。使用 MnZn 铁氧体作为栅极介电材料的 GFET 的结构如图 1 所示。然后通过带有探针台 (SUMMIT 1100B-M) 的半导体参数分析仪 (Agilent 4155B) 对 GFET 进行表征。对于 IR 表征，I-V 曲线是在 IR 照明 (λ =915 nm，P =1 W)，与黑暗环境中的比较。在施加栅极电压和/或外部磁场时，通过太赫兹时域 (TDS) 系统测量太赫兹波传输。外部磁场由自制的铜线圈产生。

使用150 nm MnZn铁氧体薄膜作为栅极介电材料的GFET

结果与讨论

图 1 显示了分别在 100、120、140、160 和 180 W 的射频功率下溅射的 p-Si (100) 衬底上的 Mn1-xZnxFe2O4 铁氧体薄膜的 XRD 图案。在不同的溅射功率下获得了MnZn铁氧体薄膜的尖晶石结构。 (311) 衍射峰最强，表明在 160 W 沉积功率下结晶度最好。 表 1 显示了表面算术平均粗糙度 (Ra) 和均方根粗糙度 (RMS)，以及最大晶粒的长度和宽度p-Si (100) 衬底上的铁氧体薄膜。如表 1 所示，MnZn 铁氧体薄膜的表面粗糙度（Ra 和 RMS）随着射频功率的增加而增加。然而，非常低的RF功率会影响MnZn铁氧体薄膜的形成。 MnZn铁氧体薄膜的粗糙度会影响GFET IR和THz器件的性能，我们将在后面讨论。

p-Si(100) 衬底上样品在不同射频磁控溅射功率 100、120、140、160 和 180 W 下溅射的 XRD 图

p-Si 衬底上的 MnZn 铁氧体薄膜的 SEM 和 AFM 图像如图 2 所示。可以清楚地观察到 MnZn 铁氧体薄膜的晶粒。退火后，晶粒尺寸增加，如图 2b、d 所示。图 3a 显示了在不同温度下退火的 MnZn 铁氧体薄膜的 XRD 图案。当薄膜在 550°C 下退火时，MnZn 铁氧体薄膜的 (311) 峰最强。这些薄膜的磁滞回线也在室温下通过 VSM 测量，如图 3b 所示，其中饱和磁化强度 (Ms ) 和矫顽力 (Hc ) 获得。图 3c 显示了 Ms 和 HC MnZn 铁氧体薄膜在高达 4 Pa 的氮气压力下退火。低于 3 Pa，最高 Ms 和最低的Hc 在 0.5 Pa 时获得。高于 3 Pa，Ms 急剧下降，这可能是因为氮气与薄膜之间的反应。图 3d 显示了 Ms 和 HC 铁氧体薄膜在 1.5 Pa 氮气压力下作为退火温度的函数。Ms (HC ) MnZn 薄膜的值在 550 °C 时达到最大 (最小) 值 330 kA/m (1600 A/m =20 Oe)。最大 Ms 和最小 Hc 对应于 MnZn 薄膜的最佳结晶度，这与图 3a 中的 XRD 数据一致。在较高的温度和气压下，薄膜的表面原子被氮化成杂质，使MnZn铁氧体薄膜的磁性能变差。结果，在550°C的退火温度和低于3 Pa的真空压力下制备了MnZn薄膜。

(a 的 SEM 图像 ) 原样和 (b ) 退火的 MnZn 铁氧体薄膜, (c ) 和 (d ) 显示相应的原子力显微镜图像

溅射锰锌薄膜的表征。 (a ) XRD 图和 (b ) 在 350、450、550、650 和 750°C 下退火的 MnZn 薄膜的磁滞回线。饱和磁化强度 (Ms ) MnZn 薄膜在 0.0 Pa 到 4.5 Pa in (c ) 和温度从 450 到 700°C (d )

然后将生长在同一铜箔上的石墨烯转移到 MnZn 铁氧体薄膜上，以制造具有方案 1 所示结构的 GFET。在这里，我们制造了具有 MnZn 铁氧体薄膜的 GFET，在 100 和 150 W 下溅射并在如上所述的最佳条件下退火.图 4a、b 显示了在漏极和源极之间测量的电流，作为两个 GFET 施加的栅极电压的函数。在测量过程中，源极和漏极之间的外加电压保持恒定在 1 V。随着栅极电压的负增加，电流逐渐增加。当栅极电压为正偏置时，电流变化非常缓慢。两个 GFET 的不对称 I-V 特性可能是门控区和存取区之间的结处的热离子发射和带间隧穿的结果 [21]。与图 4a、b 相比，在相同栅极偏压下，100 W 溅射 MnZn 铁氧体薄膜上的石墨烯电阻远小于 150 W 溅射薄膜上的电阻。与表 1 相比，图 4b 中较大的电阻可能是 150 W 溅射的 MnZn 铁氧体薄膜的粗糙度较大的结果。石墨烯单层的粗糙度引起的波纹可以抑制电荷载流子的传输，导致更高的电阻[22].

红外表征。 (a ) 和 (b ) MnZn 铁氧体薄膜的 GFET 的 Isd-Vsg 曲线分别在 100 和 150 W 下溅射。 (c ) 和 (d ) 比较红外照明和无照明下的 Isd-Vsg 曲线。所有曲线的源极和漏极之间施加的电压均为 1.0 V

图 4c、d 分别显示了使用 100 和 150 W 溅射 MnZn 铁氧体薄膜的 GFET 在黑暗环境和红外照明下的 I-V 曲线的比较。红外光的波长为 915 nm，功率为 1 W，位于 ~1 cm ² .源极和漏极之间施加的电压为 1 V。红外照明下 GFET 的 I-V 曲线类似于在黑暗环境中测量的曲线，但电流显着增强。使用 100 W 溅射 MnZn 铁氧体薄膜作为介电层的 GFET 的增强效果比使用 150 W 溅射 MnZn 铁氧体薄膜的 GFET 强得多。对于 100 W 溅射 MnZn 铁氧体薄膜，在 10 V 栅极电压下增强是 ~7.5 倍，是 150 W 溅射 MnZn 铁氧体薄膜的 ~2.5 倍。即MnZn铁氧体薄膜的表面粗糙度也会影响红外光电性能。

然后使用具有 100 W 溅射 MnZn 铁氧体薄膜的 GFET 来检查太赫兹波的调制特性。图 5a 显示了在施加不同栅极偏压时 THz 波通过 GFET 的透射率。透射率是使用 THz-TDS 系统通过太赫兹脉冲测量的，频域透射率是以空气为基线通过傅立叶变换获得的。当栅极电压从 25 V 变化到 -25 V 时，源漏之间的电阻减小，如图 4a 所示。电阻的减小导致太赫兹波的透射率降低，如图 5a 所示.即，可以通过施加不同的 GFET 栅极电压来调制太赫兹波的传输。当施加外部磁场时，还测量了传输的太赫兹波，如图 5b 所示。随着外部磁场的增加，传输的太赫兹波的强度降低，在 50 Oe 以上饱和。外磁场作用下太赫兹波透射强度的变化可能是由于石墨烯具有极大的磁阻[23]。下面的 MnZn 铁氧体薄膜在被外部磁场磁化时提供强大的边缘场。石墨烯/MnZn 铁氧体/p-Si 异质结的磁阻显示在附加文件 1：补充信息中的图 S1 中。然而，太赫兹波的调制是微妙的（5%），这可能是因为 MnZn 铁氧体薄膜的表面不平整和/或太赫兹调制随电阻变化很小。石墨烯在极其光滑的MnZn铁氧体薄膜上能感受到更强、更均匀的边缘场，从而具有更大的石墨烯磁阻和更大的外磁场调制深度。

太赫兹特性。 (a ) 在 -25 至 25 V 的不同栅极电压下，0.2 至 1.0 THz 的 THz 透射率光谱，以及 (b ) 0.63~0.70 THz不同外磁场下的频域频谱

结论

石墨烯/MnZn铁氧体/p-Si异质结构被制造用于IR和THz器件应用。 MnZn 铁氧体薄膜通过磁控溅射沉积在 p-Si 上，在用于 GFET 制造之前进行退火。 MnZn 铁氧体薄膜为 GFET IR 和 THz 器件提供了一种替代介电材料。作为一种磁性和高阻薄膜，它可以在不引入额外插入损耗的情况下增强石墨烯的磁阻和传输太赫兹的调制。 MnZn 铁氧体薄膜的表面粗糙度会在很大程度上影响 IR 和 THz 器件的性能。通过使 MnZn 铁氧体薄膜更光滑可以实现更高的性能。此类工作正在进行中。