La fabrication de nanomaillages de graphène uniformes sur de grandes surfaces pour une détection térahertz directe à haute vitesse et à température ambiante

Contexte

Le graphène, une seule couche d'un sp ² -film de carbone hybridé, a attiré une grande attention ces dernières années, car il possède des propriétés optoélectroniques uniques, telles qu'une mobilité élevée des porteurs, une bande interdite nulle et une absorption indépendante de la fréquence. Ces propriétés facilitent ses applications potentielles dans le domaine de la nanoélectronique, des nanocomposites, des capteurs chimiques, des biocapteurs et des photodétecteurs [1,2,3,4,5,6]. Cependant, l'écart énergétique zéro du graphène limite ses applications dans les dispositifs électroniques et photoniques. Par conséquent, il est hautement souhaitable d'ouvrir l'écart énergétique du graphène et d'améliorer à son tour le I _sur /Je _désactivé rapport [7]. Il est universellement reconnu que la bande interdite du graphène peut être réglée par diverses méthodes, notamment l'application d'un champ électrique (ou magnétique) au graphène bicouche [8, 9], le dopage chimique [10], l'application d'une contrainte [11], et le remodelage de la nanostructure du graphène [12,13,14]. Par exemple, en 2017, Cheng et al. introduit le graphène chimiquement régulateur avec des hétéroatomes incorporés dans le réseau en nid d'abeille et a démontré des nanofeuilles adaptées à la microstructure (par exemple, des points quantiques 0D, des nanorubans 1D et des nanomeshes 2D), qui ont élargi la bande interdite et induit des propriétés chimiques et physiques spéciales du graphène, présentant en outre applications prometteuses dans les actionneurs et les générateurs d'électricité [15]. Cependant, parmi toutes les méthodes qui ont ajusté la bande interdite du graphène, le remodelage de la nanostructure du graphène est actuellement le moyen le plus pratique [16], car il minimise les propriétés électroniques inhérentes du graphène [17]. Les propriétés du graphène sont remodelées lorsqu'il est mis à l'échelle en nanostructures, telles qu'un nanoruban de graphène (GNR) [18,19,20], un nanoanneau de graphène et un nanomesh de graphène [21,22,23,24]. Sun et al. a proposé une méthode simple pour ouvrir une bande interdite comparable dans le graphène en le réduisant en un GNR et l'a utilisé dans des FET, réalisant un grand I _sur /Je _désactivé des rapports de ~ 47 et ~ 105 à température ambiante et 5,4 K, respectivement [12]. Cependant, la fabrication de GNR longs et étroits est difficile, ce qui constituera un obstacle à l'application de dispositifs nanoélectroniques. Le nanomesh de graphène (GNM), une nanostructure plus simple à fabriquer, peut ouvrir une bande interdite dans les grandes feuilles de graphène, et les FET basés sur les GNM peuvent supporter des courants près de 100 fois supérieurs à ceux des dispositifs GNR individuels [25]. En 2017, Yang et al. utilisé une silice mésoporeuse (meso-SiO₂ ) modèle pour la préparation de FET GNM avec des rapports marche/arrêt améliorés, construisant des biocapteurs hautement sensibles pour la détection sélective du récepteur du facteur de croissance épidermique humain 2. Cela a en outre prouvé qu'il s'agissait d'une méthode efficace pour adapter le graphène dans le GNM pour ouvrir la bande écart [26]. En général, les GNM peuvent être fabriqués par lithographie par nanoimpression, technologie de lithographie assistée par modèle et croissance auto-organisée [27]. Le groupe de Haghiri a rapporté la fabrication d'un GNM de grande surface appliqué à la détection d'ADN sans marquage par lithographie par nanoimpression [22]. Néanmoins, la largeur du col du GNM était trop grande (~ 260 nm) pour ouvrir l'écart énergétique. Zang et al. a démontré une nouvelle méthode assistée par modèle pour préparer GNM en utilisant une membrane d'oxyde d'aluminium anodique comme masque de motif avec l'aide de O₂ gravure plasma [28]. La plupart des GNM sont préparés en préfabriquant un modèle nanostructuré ou des nanoparticules en tant que masque protecteur pour remodeler la couche de graphène. Cependant, la synthèse du nanomasque est relativement complexe et la largeur du col du GNM est difficile à contrôler pour réaliser la fabrication de réseaux uniformes à grande échelle.

Ici, des réseaux uniformes à grande échelle de nanomailles rectangulaires de graphène (r-GNM) et de nanomailles circulaires de graphène (c-GNM) avec différentes largeurs de cou ont été modélisés avec succès par lithographie par faisceau d'électrons (EBL). En outre, des détecteurs térahertz basés sur GNM sur la base de l'effet photoconducteur du graphène ont été fabriqués. Des mesures électriques ont été effectuées à température ambiante pour mieux comprendre l'effet de la largeur du col de nos GNM sur les performances des détecteurs, ce qui a illustré que les appareils avec différentes largeurs de col du GNM possédaient différents I _sur /Je _désactivé ratios et bandes interdites. Il a été noté que le courant des appareils basés sur le c-GNM était plus important que celui des appareils basés sur le r-GNM tandis que le I _sur /Je _désactivé le rapport actuel était plus petit; cela pourrait être attribué à une plus grande rugosité des bords dans le r-GNM. Ensuite, les photocourants térahertz de dispositifs r-GNM de différentes tailles ont également été mesurés, démontrant l'effet photoconducteur de cette nouvelle structure. Enfin, l'application de l'imagerie térahertz basée sur les dispositifs r-GNM utilisant un système d'imagerie bifocale a été démontrée.

Section expérimentale

Fabrication de détecteurs

Le graphène monocouche de grande surface a été cultivé par dépôt chimique en phase vapeur sur un substrat de cuivre. Il a ensuite été transféré sur p fortement dopé -substrats de type Si avec un SiO₂ à 285 nm en utilisant des techniques de transfert par voie humide assistées par du polyméthacrylate de méthyle (PMMA) [29]. Des électrodes de source et de drain (50 nm d'épaisseur Au) ont été déposées sur le graphène par évaporation par faisceau d'électrons suivie d'une technique standard de décollement de métal. La distance de séparation entre les deux électrodes était de 14 µm. Dans la deuxième étape, nous avons utilisé la technologie EBL pour fabriquer deux types de graphène nanomesh :r-GNM et c-GNM. La voie de fabrication EBL du r-GNM et du c-GNM est illustrée à la Fig. 1. Après le transfert du graphène sur le substrat, le résist positif au faisceau électronique, PMMA, a ensuite été filé sur l'échantillon de graphène et modelé pour former une gravure masque. La forme et la taille souhaitées peuvent être déterminées par le masque. Après cela, le graphène exposé à l'air a été gravé à l'aide d'un plasma d'oxygène à 5 Pa et 100 W pendant 5 s. Ensuite, une solution d'isopropanol à méthylisobutylcétone (3:1) a été utilisée pour graver le PMMA, suivi du dépôt de nitrure de silicium (Si₃ N₄ ) diélectriques de grille par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). Enfin, l'électrode de grille a été déposée sur le Si₃ N₄ par une méthode d'évaporation par faisceau d'électrons.

Illustration du processus de fabrication d'un GNM par EBL

Analyse d'échantillon

La morphologie et la structure du r-GNM et du c-GNM synthétisés ont été caractérisées par microscopie électronique à balayage (Hitachi, S-4800). Les propriétés électriques des détecteurs ont été caractérisées par un analyseur de paramètres à semi-conducteur (Agilent, 4294A) à température ambiante, tandis que les caractéristiques optiques des appareils ont été testées par le système de mesure optique maison.

Résultats et discussion

Une illustration schématique des détecteurs térahertz fabriqués basés sur les c-GNM est représentée sur la figure 2a. Les électrodes de source et de drain ont été déposées sur le SiO₂ Substrat /Si avec le graphène monocouche qui a été découpé dans le c-GNM. La structure géométrique typique du c-GNM est illustrée à la figure 2b. Les GNM continus de grande surface avec des longueurs de 20 m et des largeurs de 60 m ont été utilisés comme canal. Comme le graphène est une couche unique de structure atomique, afin de réduire les dommages dans la production de la couche d'oxyde, nous choisissons le nitrure de silicium (Si₃ N₄ ) procédé PECVD à basse température pour fabriquer la couche diélectrique. Un avantage supplémentaire des isolants en nitrure de silicium par rapport à l'oxyde de silicium pour les dispositifs au graphène est leur fréquence de phonon optique polaire de surface plus élevée ∼ 110 par rapport à ∼ 56 meV pour l'oxyde de silicium, ce qui devrait diminuer l'importance de la diffusion inélastique des phonons à distance dans le canal du graphène [30]. Pour étudier plus avant les dispositifs avec différentes nanostructures, les détecteurs térahertz à base de r-GNR ont également été préparés, et l'illustration schématique est donnée sur la figure 2c. « W " dans la figure 2b, d sont les valeurs de largeur de col, définies comme la distance minimale entre les nanotrous les plus adjacents, qui est le paramètre le plus critique dans le GNM.

un Illustration schématique des détecteurs térahertz fabriqués basés sur le c-GNM. b Le schéma structurel de c-GNM, où W est la largeur du cou. c Illustration schématique des détecteurs térahertz fabriqués basés sur le r-GNM. d Le schéma structurel de r-GNM

Des mesures électriques ont été effectuées à température ambiante pour mieux comprendre l'effet de la largeur du col dans notre GNM sur les performances des détecteurs. Ici, quatre réseaux r-GNM et c-GNM avec des largeurs de col de 30, 40, 50 et 60 nm, respectivement, ont été modelés par EBL. La figure 3a présente les images SEM de r-GNM avec différentes largeurs de cou. La figure 3b illustre les c-GNM avec différentes largeurs de col. Dans ce travail, la largeur du col du GNM est cohérente avec la conception de la mise en page en contrôlant le temps de gravure et la puissance de gravure. Lors de la mise au point des photos SEM, l'électron de balayage a un certain effet sur le graphène, ce qui entraîne une différence dans la couleur de l'image SEM du graphène, mais la morphologie du maillage et la taille du nanomesh de graphène ne seront pas affectées. Comme ces images le montrent clairement, les matrices c-GNM et les matrices r-GNM pourraient être fabriquées uniformément à grande échelle en utilisant EBL.

un Images SEM de c-GNM avec des largeurs de cou de (i) 60, (ii) 40, (iii) 50 et (iv) 30 nm. b Images SEM de r-GNM avec des largeurs de col de (i) 60, (ii) 40, (iii) 50 et (iv) 30 nm

Pour étudier les propriétés électroniques du GNM, des dispositifs FET basés sur les GNM avec des largeurs de col de 30, 40, 50 et 60 nm ont été fabriqués, respectivement. Dans une certaine mesure, le GNM pourrait être considéré comme un réseau hautement interconnecté de GNR, et des travaux théoriques et expérimentaux ont montré que la taille de la bande interdite de conduction est inversement proportionnelle à la largeur du ruban. Autrement dit, une largeur de col plus étroite gagnera une énergie de bande interdite suffisante pour une réponse de porte suffisante et un rapport marche-arrêt, et une structure de maillage plus dense pourrait permettre une livraison de courant plus élevée [25].

La figure 4a montre les caractéristiques de transfert à V _ds = 2 V pour les appareils basés sur des c-GNM avec différentes largeurs de col de 30, 40, 50 et 60 nm, à partir desquelles nous avons pu déterminer le I correspondant _sur /Je _désactivé des rapports de ~ 40, ~ 25, ~ 5 et ~ 4, respectivement. Les caractéristiques de transfert des dispositifs basés sur des r-GNM avec différentes largeurs de col de 30, 40, 50 et 60 nm sont présentées sur la figure 4b. En comparant les figures 4a, b, nous pouvons voir que le courant de conduction des c-GNM est beaucoup plus grand que celui des r-GNM (environ deux fois). En raison du GNM peut être considéré comme une structure de réseau interconnecté de graphène, la zone réelle de c-GNM délivrant le courant est supérieure à celle de r-GNM, cela conduit à un courant de c-GNM supérieur à r-GNM sous le mêmes conditions. De plus, le I _sur /Je _désactivé les rapports de r-GNM avec différentes largeurs de col de 30, 40, 50 et 60 nm obtenus étaient de ~ 100, ~ 25, ~ 8 et ~ 3, respectivement, indiquant que le I _sur /Je _désactivé Le rapport des dispositifs basés sur GNM peut être facilement réglé en faisant varier la largeur du col, qui joue un rôle important dans les propriétés de transport de charge. Il a été observé que les dispositifs basés sur GNM dans cette lettre possédaient un I plus élevé _sur /Je _désactivé ratios que de nombreux autres dispositifs basés sur GNR avec des largeurs plus petites [17]. Étant donné que le GNM peut être considéré comme un réseau interconnecté de GNR, la génération de la bande interdite est également due à de multiples facteurs, notamment le confinement quantique latéral [31] dans le sens de la transmission et un blocus de Coulomb [32] résultant du défaut de bord ou de la rugosité. [33]. Un si grand I _sur /Je _désactivé Le rapport de courant peut résulter de l'effet de canal long :les structures nettes des GNM ont augmenté le canal de conduction du dispositif, la limite des nanotrous internes a amélioré le confinement quantique [34], et les effets de localisation ont été causés par des défauts de bord, tels que le bord trouble [35] et/ou espèce absorbée sur le carbone pendant π -des liaisons dans les nanotrous internes [36, 37]. La limite interne des r-GNMs est beaucoup plus grande que celle des c-GNMs en raison des différentes géométries. De plus, le bord circulaire du c-GNM possède plus de défauts, rendant le confinement quantique latéral plus remarquable pour augmenter la bande interdite. Ceux-ci peuvent également expliquer pourquoi le I _sur /Je _désactivé le rapport actuel des r-GNM est supérieur à celui du c-GNM. À partir de la figure 4a, b, il est déterminé que les dispositifs basés sur r-GNM et c-GNM présentaient une conductance claire avec une valeur minimale correspondant au point Dirac à environ  − 5 V. La tension de seuil est obtenue en utilisant la tension au temps de conduction moins la tension du point neutre. D'après les figures 4a, b, nous pouvons voir que la tension de seuil du dispositif est d'environ 15 V pour les c-GNM et r-GMN de 30 nm. La conductivité homologue obtenue est représentée sur la figure 4c. Les électrodes de l'appareil sont réalisées directement sur le graphène d'origine. Seul le graphène entre les canaux est transformé en nanomesh, et la résistance de contact entre l'électrode métallique et le dessous du graphène semi-métal vierge est relativement faible. La résistance du canal est principalement la résistance du nanomesh de graphène. En raison d'un rapport de service de surface plus important dans la même zone du canal conducteur, les conductivités des dispositifs à base de c-GNM se sont avérées plus élevées que celles des dispositifs à base de r-GNM. Par rapport aux GNR [38] ou à d'autres GNM [39] qui ont été signalés auparavant, nos échantillons c-GNM et r-GNM peuvent fournir un courant plus élevé en raison de leur grande surface et de leur taille uniforme.

Caractéristiques de transfert (I _ds − V _g ) des appareils basés sur a c-GNM et b r-GNM avec différentes largeurs à V _ds = 2 V. Le V _Je (la valeur de la tension de conduction moins la valeur de la tension du point neutre) du dispositif 30 nm est d'environ 15 V. c Conductivité en fonction de la largeur du col pour r-GNM (noir) et c-GNM (rouge)

La figure 5a montre le diagramme schématique des bandes d'énergie pour les GNR avec des électrodes de source et de drain. Les niveaux de source et de drain se rapprochent des bords des bandes de conduction et de valence, respectivement, avec une augmentation de la tension source-drain (V _DS ). Lorsque le bord de la bande de conduction (valence) tombe dans la fenêtre de polarisation entre les électrodes de source et de drain, des électrons (trous) sont injectés depuis la source (drain) et le courant I monte fortement. La tension de grille ajuste la position de l'écart par rapport aux niveaux source-drain. Courbes de I _DS contre V _DS à un V _GS La polarisation près de la tension neutre de charge pour les r-GNM et les c-GNM avec des largeurs de col de 30 et 40 nm est illustrée sur les Fig. 5b, c, qui montrent clairement les régions "d'activation" et de "désactivation", en fonction de l'emplacement du niveau de Fermi. Avec une augmentation de la largeur du col du GNM, la taille de la fenêtre de faible conductance a diminué. Pour les r-GNM avec des largeurs de 30 et 40 nm, les écarts énergétiques ont été estimés à 0,23 et 0,17 eV, respectivement (Fig. 5b). La figure 5c illustre la bande interdite d'énergie à 0,19 et 0,16 eV pour le c-GNM avec des largeurs de 30 et 40 nm, respectivement. Ces valeurs suggèrent que la bande interdite était inversement proportionnelle aux largeurs de col des canaux GNM, et l'existence de plus de défauts de bord dans le r-GNM peut améliorer la bande interdite [23].

un Diagramme schématique des bandes d'énergie pour un GNR avec électrodes de source et de drain. Courbes de I _DS contre V _DS à un V _GS polarisation près de la tension neutre de charge pour b r-GNM et c c-GNM

De plus, les propriétés optoélectroniques des dispositifs r-GNM ont été étudiées par le système optique présenté sur la figure 6a pour effectuer des tests de photocourant pour le r-GNM. Dans le système, une source de corps noir avec un filtre passe-bande de 3 THz a été utilisée pour générer le rayonnement térahertz, et nous avons mesuré le a.c. des amplitudes de photocourant obtenues à l'aide d'un amplificateur à verrouillage référencé à la fréquence de découpage. Les amplitudes des photocourants se sont avérées presque nulles sans appliquer une tension de polarisation source-drain. En raison du contact direct de l'électrode métallique et du graphène, le photocourant des photoporteurs générés par le rayonnement était relativement faible et contrecarré les uns avec les autres, entraînant un photocourant externe presque nul.

un Schéma de principe du montage expérimental du test térahertz. b Courbes de photocourant I _Ph par rapport à la largeur du cou des r-GNM

De plus, les paires électron-trou générées dans le GNM se recombineraient normalement en un temps extrêmement réduit, n'ayant aucune contribution au photocourant. Par conséquent, le photocourant de détection existait avec une tension externe pour séparer les paires électron-trou photogénérées avant qu'elles ne se recombinent. Dans l'enquête rapportée ici, une tension source-drain de 0,2 V a été appliquée et des photocourants de 0,28, 0,32, 0,4 et 0,93 nA ont été obtenus sous un rayonnement de 3 THz, comme le montre la figure 6b, correspondant à différents dispositifs r-GNM avec des largeurs de col de 30, 40, 50 et 60 nm, respectivement. Notamment, le photocourant a fortement augmenté à 0,93 contre 0,4 nA. Comme indiqué précédemment, le taux d'absorption du graphène dans la lumière visible est d'environ 2,3 %, ce qui peut être considéré comme l'effet thermoélectrique [40]. Sous irradiation d'ondes électromagnétiques avec une énergie inférieure à l'IR, le chauffage thermique du graphène causé par l'absorption laser s'est avéré diminuer la conductivité du graphène, ce qui a contribué à la raison pour laquelle les effets thermiques ont été exclus comme cause de l'augmentation du photocourant du graphène lorsqu'il est illuminé. . Les effets photoconducteurs signifient que lorsque l'énergie du photon incident correspond à l'écart énergétique des GNM, l'écart énergétique peut induire une séparation améliorée des excitons induits par les photons et une efficacité d'extraction plus élevée des porteurs de sorte que la valeur du photocourant augmente fortement à une largeur de col de 60 nm.

Un détecteur à cellule de Golay (TYDEX GC-1P) a été utilisé pour calibrer la puissance de la source lumineuse afin d'obtenir la sensibilité térahertz de nos appareils basés sur GNM. La sensibilité des dispositifs r-GNM avec une largeur de col de 60 nm s'est avérée être de 12 mA/W à température ambiante.

De plus, le test d'imagerie de l'échantillon clé a été réalisé avec succès en plaçant l'échantillon dans un simple système d'imagerie à double foyer. En raison de la limite de mouvement maximale (25 mm × 25 mm) du système de nanopositionnement, l'image térahertz d'une partie a été obtenue, comme illustré sur la figure 7, montrant clairement le profil de l'échantillon clé. De plus, l'image térahertz de l'échantillon clé a été terminée en balayant en continu 50 x 50 points avec un temps total d'environ 75 s, dans lequel le temps de réponse pour une seule détection est inférieur à 20 ms. Ce travail démontre que notre appareil r-GNM peut être utilisé comme détecteur térahertz pour une imagerie précise et rapide d'échantillons macroscopiques.

Comparaison d'une clé métallique entre a l'image optique et b l'image térahertz

Conclusions

En conclusion, des FET à grille supérieure utilisant des réseaux à grande surface de r-GNM et c-GNM ordonnés avec différentes largeurs de col ont été traités avec succès par EBL. Les FET à grille supérieure ont été fabriqués avec un GNM continu comme canal conducteur. À température ambiante, les mesures électriques ont été effectuées, ce qui a illustré que les dispositifs avec différentes largeurs de col du GNM possédaient différents I _sur /Je _désactivé ratios et écarts énergétiques. En particulier, les appareils basés sur le r-GNM avec une largeur de col de 30 nm se sont avérés posséder le plus grand I _sur /Je _désactivé rapport, ~ 100, et l'écart énergétique a été estimé à 0,23 eV. Bien que le courant des appareils basés sur le c-GNM soit plus important que celui des appareils basés sur le r-GNM, le I _sur /Je _désactivé le rapport de courant était plus petit, ce qui peut être dû à la plus grande rugosité des bords dans le r-GNM. De plus, sur la base de l'effet photoconducteur, la réponse térahertz du dispositif à base de r-GNM a été mesurée à 10 mA/W. Pour les applications pratiques des appareils, une expérience d'imagerie térahertz a été réalisée à température ambiante. Il a été constaté que de tels dispositifs peuvent être appliqués à une imagerie précise et rapide d'échantillons macroscopiques.

Abréviations

c-GNM :

Nanomesh de graphène circulaire

EBL :

Lithographie par faisceau d'électrons

FET :

Transistors à effet de champ

GNM :

Nanomesh de graphène

GNR :

Nanoruban de graphène

MIBK :

Méthylisobutylcétone

PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

PMMA :

Polyméthacrylate de méthyle

r-GNM :

Nanomesh de graphène rectangulaire