基于石墨烯/TiO₂/p-Si三层异质结的高性能全光太赫兹调制器

摘要

我们提出一种三层太赫兹（THz）调制器，集成p型硅（p-Si）衬底、薄TiO₂中间层和单层石墨烯。Si/TiO₂界面建立内建电场，驱动光生电子从Si进入TiO₂，随后注入石墨烯。电子转移提升石墨烯费米能级，增加其电导率，从而衰减透射THz辐射。器件在0.3-1.7 THz宽频带实现调制，808 nm激光激发下最大调制深度达88%。结果展示石墨烯/TiO₂/p-Si异质结构在下一代太赫兹成像和通信系统中的应用前景。

引言

太赫兹（THz）成像和通信快速发展，依赖高效调制器控制波传输和反射。基于Si或Ge的传统半导体调制器在调制深度上往往不足，推动探索超材料和VO₂等相变介质。超材料器件虽高速但带宽窄、制备复杂限制实用性。VO₂调制器依赖温度或电压诱导相变，热动力学慢。

石墨烯凭借卓越载流子迁移率、可调电导率、机械稳健性，成为THz调制多功能平台。早期电控石墨烯调制器结合超材料达47%振幅和32%相位调制。场效应晶体管基石墨烯调制器受限于载流子注入效率。近期石墨烯/n-Si器件在飞秒激光泵浦下达近100%调制，仍需外加电场优化。

TiO₂作为低成本、化学稳定氧化物，在MoS₂/TiO₂和钙钛矿/TiO₂/Si光电探测器中证实能增强半导体界面电荷分离。利用TiO₂内建场改善载流子提取，我们制备石墨烯/TiO₂/p-Si异质结，用简单808 nm半导体激光实现0.3-1.7 THz宽频带88%调制深度。

实验方法

500 µm厚p-Si晶圆（ρ≈1-10 Ω·cm）依次超声清洗丙酮、乙醇、去离子水，4.6 M HF刻蚀10分钟去除本征氧化层。清洁Si浸入0.1 M TiCl₄于343 K下1小时生长10 nm TiO₂薄膜。单层石墨烯在铜上CVD生长，湿法刻蚀转移至TiO₂上，形成1 cm²石墨烯/TiO₂/p-Si堆叠。拉曼光谱确认单层质量（G~1580 cm⁻¹，2D~2681 cm⁻¹）。UV-Vis吸收和紫外光电子能谱（UPS）表征光学带隙和能带排列。静态THz调制用Fico THz时域系统（Zomega Terahertz Corp.）测量。

结果与讨论

图1a展示器件几何：808 nm半导体激光（光斑~5 mm）和~3 mm THz光束同时照射石墨烯侧。激光功率0-1.4 kW cm⁻²变化。拉曼谱（图1b）显示石墨烯在TiO₂上G和2D峰轻微位移，指示轻微应变但保持单层完整性。

图2a-c显示裸Si、石墨烯/Si、石墨烯/TiO₂/Si在增大激光功率下THz透射率。无光激发时所有样品透射~55% THz能量；TiO₂和石墨烯引入损耗可忽略。光照下，光生载流子增强电导率导致0.3-1.7 THz透射率下降。石墨烯/Si器件下降比裸Si陡峭，因载流子扩散入高迁移率石墨烯放大电导率变化。石墨烯/TiO₂/Si结构衰减最显著：1400 mW下透射率降至~10%，调制深度88%。调制深度（ΔT=(T₀-T)/T₀）随激光功率变化见图2d，确认TiO₂层放大载流子分离和注入石墨烯。

带边测量（图3）得Si和TiO₂带隙1.19和2.98 eV。UPS数据给出功函数5.85 eV（Si）、5.21 eV（TiO₂）、5.75 eV（石墨烯），价带顶-6.35 eV（Si）、-7.09 eV（TiO₂）。能带图（图4）显示10 nm TiO₂全耗尽层在光照下形成n型导电通道，驱动电子进入石墨烯上移费米能级，增强石墨烯电导率增加THz吸收。

总体而言，三层异质结以简单全光方案实现高速宽带THz调制，避免复杂电极沉积和飞秒激光泵浦。

结论

我们制备低成本全光太赫兹调制器，基于石墨烯/TiO₂/p-Si三层结构。器件在0.3-1.7 THz实现88%调制深度，由808 nm半导体激光驱动。TiO₂中间层形成p-Si结增强载流子分离；光生电子迁移至TiO₂再注入石墨烯，提升费米能级和电导率，衰减THz透射。简单湿法制备无电极使该架构对可规模化THz成像和通信应用极具吸引力。

缩写

p-Si

P型硅

THz

太赫兹

UPS

紫外光电子能谱