优化石墨烯/MnZn 铁氧体/p-Si 异质结的红外与太赫兹调制

摘要

高介电常数、磁性活性的 MnZn 铁氧体薄膜沉积于 p-Si 衬底，作为石墨烯场效应晶体管 (GFET) 的栅极介质层，用于红外 (IR) 和太赫兹 (THz) 器件应用。通过优化沉积参数，获得超薄、高透明 MnZn 铁氧体层，利用单层石墨烯通道的巨大磁阻实现 THz 透射的磁调制。在不同栅极偏压下研究红外光电输运，揭示与介质表面质量相关的显著电流增强。

背景

红外 (IR) 和太赫兹 (THz) 技术是雷达、无线通信和安检系统的核心。因此，寻找在这些光谱窗口高效工作的材料和异质结构仍是优先方向。近期工作表明，石墨烯场效应晶体管 (GFET) 可通过调控石墨烯单层的带内跃迁来调制 THz 透射。例如，92 nm SiO₂ 栅介质 GFET 在 18 kHz 实现 15% 调制深度；150 nm SiO₂/p-Si 器件用 60 nm Al₂O₃ 高介电栅绝缘层在 170 kHz 达 22% 深度。Bi 掺杂 YIG (k≈12) 介质在 0.1–1.2 THz 实现 200 kHz 下 15% 深度。

这些研究表明介质层很大程度上决定 GFET 在 IR 和 THz 领域的性能。非磁性高介电介质虽被广泛探索，但整合双功能磁性介质——可外部磁调控——仍属空白。MnZn 铁氧体作为高介电 (k≈16) 和铁磁氧化物，提供结合介电稳健性与磁控制的有前途平台。本文报道 150 nm MnZn 铁氧体薄膜沉积于 p-Si、集成至 GFET，及其在电和磁激励下的 IR 光电输运和 THz 调制。

方法

Mn₁₋ₓZnₓFe₂O₄ 薄膜采用 RF 磁控溅射制备。靶材由 Fe(NO₃)₃、Mn(NO₃)₃、Zn(NO₃)₂ 共沉淀制备，950–1000°C 煅烧 2 小时，压制成 60 mm 圆靶，1250°C 烧结 3.5 小时。在 (100) p-Si 衬底上于 200–300°C、基压 4×10⁻⁴ Pa、0–25% O₂ (P_O2/(P_O2+P_Ar)) 条件下沉积 150 nm 薄膜。随后在真空 (0.08–5.0 Pa) 下 400–700°C 退火 1.5 小时。

Cu Kα XRD (D/max 2400, 40 kV/100 mA) 分析结构。SEM (JOEL JSM6490LV) 和 AFM (Veeco Mutimode Nano4) 观察形貌，提取算术平均粗糙度 (Ra) 和均方根粗糙度 (RMS)。振动样品磁强计 (VSM, BH-V525) 测磁性质，岩松 BH 分析仪 (SY8232) 测饱和感应强度。

优化 MnZn 铁氧体生长条件后，标准 PMMA 辅助法将单层石墨烯从铜箔转移至铁氧体薄膜上，形成石墨烯/MnZn 铁氧体/p-Si 异质结构。蒸发金源、漏、栅电极完成 GFET (见方案 1)。Agilent 4155B 参数分析仪记录电学特性。915 nm 光照 (1 W, ~1 cm²) 下测 I-V 曲线评估 IR 响应。时域光谱 (TDS) 系统测量 THz 透射，同时变化栅极电压并施加定制铜线圈产生的外部磁场。

结果与讨论

图 1 显示 RF 功率 100–180 W 下 Mn₁₋ₓZnₓFe₂O₄ 薄膜 XRD 谱。所有样品呈尖晶石晶格，160 W 时 (311) 衍射峰主导，指示最佳结晶度。表 1 (未显示) 显示 Ra 和 RMS 随溅射功率单调增加，高能沉积粗糙表面——可能降低 GFET 性能。

SEM 和 AFM (图 2) 确认柱状晶粒，退火后粗化。退火后 XRD (图 3a) 显示 550°C 时 (311) 强度最大。室温磁滞回线 (图 3b) 显示 550°C、0.5 Pa 氮气下饱和磁化强度 (M_s) 330 kA m⁻¹、矫顽力 (H_c) 1600 A m⁻¹ (≈20 Oe)，为最佳退火条件。更高温度或气压引入氮相关缺陷，降低 M_s、增大 H_c。

GFET 分别在 100 W 和 150 W 薄膜上制备。漏源电流 (I_sd) 对栅源电压 (V_sg) 曲线 (图 4a,b) 显示负栅偏压下明显电子通道激活，正偏压响应较弱，可能因栅控/接触界面不对称热离子发射和带间隧穿。100 W 薄膜器件电阻低于 150 W 对应器件，反映更光滑介质表面减少载流子散射。

915 nm 光照下，两器件均显示显著电流增强，但 100 W 器件在 10 V 处获 ~7.5 倍放大，150 W 器件仅 ~2.5 倍。这种差异凸显介质粗糙度对光诱导载流子输运的影响。

THz 透射通过扫描栅极电压 +25 V 至 -25 V 评估。随负偏压通道电阻下降，透射 THz 强度减小 (图 5a)，展示栅控调制。施加外部磁场时，透射 THz 强度进一步下降，50 Oe 以上饱和 (图 5b)。这种微弱 5% 调制归因于 MnZn 铁氧体边缘场下石墨烯巨大磁阻，但表面非均匀性限制效应。更光滑介质有望增强磁-THz 调制。

结论

优化沉积退火条件下的 MnZn 铁氧体薄膜可作为高介电、磁响应栅介质用于石墨烯基异质结。所得 GFET 展现显著 IR 光电导增强和栅控 THz 透射，具有源自石墨烯巨大磁阻的适度磁场可调性。器件性能与介质表面粗糙度强相关；进一步平滑 MnZn 铁氧体层有望提升 IR 和 THz 调制深度。未来工作将聚焦优化薄膜形貌以释放磁调控 IR/THz 器件全部潜力。