Modulateur térahertz tout optique hautes performances basé sur des hétérojonctions tricouche graphène/TiO2/Si

Introduction

La technologie d'imagerie térahertz (THz) [1] et la technologie de communication térahertz [2, 3] sont deux axes de recherche majeurs dans le domaine du THz. Et les modulateurs THz sont les composants de base des technologies, qui peuvent moduler la transmission et la réflectivité des ondes THz en modulant les signaux (lumière, électricité, chaleur, etc.) [4]. De nombreuses recherches ont été menées sur les modulateurs THz [5, 6], en se concentrant principalement sur les matériaux. Des matériaux semi-conducteurs, tels que Si et Ge, ont été utilisés pour les modulateurs THz. Mais les performances de modulation ne sont pas idéales et la profondeur de modulation n'est pas élevée, de nombreux nouveaux matériaux ont donc été proposés [7,8,9]. Un nouveau matériau représentatif est le métamatériau. Des modulateurs THz à grande vitesse peuvent être réalisés en combinant un métamatériau avec des semi-conducteurs. Cependant, la bande passante des modulateurs basés sur le métamatériau est encore très étroite en raison de la structure fixe et le processus de fabrication est compliqué [10, 11]. Un autre matériau typique est un matériau à changement de phase, tel que VO₂ . A une certaine température ou tension, le VO₂ peut subir un changement de phase réversible entre les états isolant et métallique, et les propriétés électromagnétiques changent en conséquence. L'état métallique peut provoquer une atténuation de l'onde THz. Mais l'onde THz peut facilement pénétrer l'état isolant de VO₂ . Par conséquent, la transmission THz peut être modulée en appliquant une excitation externe pour effectuer le changement de phase de VO₂ . Mais de tels modulateurs [12,13,14,15] sont basés sur le changement de température et ont une chute de température plus lente, donc la vitesse de modulation est lente.

Ces dernières années, le graphène a été progressivement appliqué à la technologie THz en raison de ses excellentes propriétés électroniques, optiques et mécaniques [16,17,18,19]. Lee et al. ont fabriqué un modulateur THz à commande électrique en intégrant du graphène à des métamatériaux [20]. Lorsque les propriétés électriques et optiques du graphène ont été améliorées par la forte résonance des atomes métalliques, l'interaction lumière-matière est améliorée, réalisant la modulation d'amplitude de l'onde térahertz de transmission de 47 % et la modulation de phase de 32,2 %. En 2012, Sensale et al. préparé un modulateur d'onde THz à transistor à effet de champ à base de graphène (GFET), tandis que la tension de grille ajustait la concentration de porteurs dans le graphène [21]. Cependant, la profondeur de modulation de ce type de modulateur [22,23,24] était faible en raison de l'injection limitée de porteurs. Le modulateur graphène/n-Si THz préparé par Weis et al. a une profondeur de modulation allant jusqu'à 99 % sous l'excitation d'un laser à impulsion femtoseconde de 808  nm [25]. Plus tard, le modulateur graphène/n-Si THz fabriqué par Li et al. atteint une profondeur de modulation de 83% avec des excitations électriques et optiques simultanées. Cependant, lorsqu'aucun champ électrique n'était appliqué, seule la lumière était ajoutée et l'effet de modulation n'était pas très bon [26]. En tant que matériau semi-conducteur peu coûteux, non toxique et chimiquement stable, le dioxyde de titane (TiO₂ ) a suscité une grande attention dans le domaine de l'énergie et de l'environnement. Il n'est pas seulement utilisé pour la dégradation photocatalytique des polluants environnementaux, mais également largement utilisé dans les cellules solaires. Récemment, Tao et al. MoS préparé₂ film sur TiO₂ superficie [27]. L'interface a introduit un fort champ électrique intégré, qui a amélioré la séparation des paires électron-trou, conduisant à l'amélioration de ses propriétés photocatalytiques. En 2017, Cao et al. fait une pérovskite/TiO₂ haute performance /Si photodétecteurs [28]. Ils ont attribué l'amélioration des performances à une séparation accrue et à une recombinaison réduite des porteurs photoexcités à l'interface entre Si et pérovskite par l'insertion de TiO₂ film. Ici, un graphène/TiO₂ Un modulateur THz tout optique nanostructuré /p-Si a été fabriqué. L'appareil que nous avons conçu a une grande profondeur de modulation de 88 % maximum dans la plage de fréquences de 0,3 à 1,7  THz.

Méthodes

Le Si de 500 µm d'épaisseur (type p, résistivité ρ ~ 1–10 Ω cm) les substrats ont été successivement lavés avec de l'acétone, de l'éthanol et de l'eau déminéralisée pendant 20 min dans un bain à ultrasons, puis immergés dans une solution de HF 4,6 M pendant 10 min pour éliminer la couche d'oxyde natif à la surface. Ensuite, le Si nettoyé a été immergé dans 0,1 M TiCl₄ solution aqueuse à 343 K pendant 1 h pour obtenir du TiO₂ de 10 nm d'épaisseur film. Le graphène monocouche a été cultivé sur du cuivre par dépôt chimique en phase vapeur [29]. Et puis, le graphène a été transféré sur TiO₂ film en utilisant une méthode de gravure humide [30] pour former du graphène/TiO₂ Hétérostructure /p-Si. La surface totale de l'échantillon est de 1 cm ² . La qualité du graphène a été caractérisée par spectroscopie Raman. Les spectres d'absorption ont été mesurés par un spectrophotomètre UV-visible (Shimadzu, UV-3600). Les mesures de spectroscopie de photoémission ultraviolette (UPS) (Thermo Scientific, Escalab 250Xi) ont été effectuées pour obtenir la structure de bande d'énergie. La modulation statique a été évaluée par le système de domaine temporel Fico THz (Zomega Terahertz Corporation).

Résultats et discussion

La structure d'un graphène/TiO₂ tout optique Le modulateur /p-Si THz est représenté schématiquement sur la figure 1a. L'onde THz et le laser ont été simultanément incidents du côté du graphène. Le laser à semi-conducteur à une longueur d'onde de 808 nm, un diamètre de spot de ~ 5 mm et une puissance de 0 à 1400 mW a été appliqué comme signal de modulation. Le faisceau THz (~ 3 mm) pourrait être recouvert par le faisceau laser. Et les ondes THz transmises ont été mesurées par un système THz-TDS à différentes puissances laser. Parce que les performances des modulateurs de graphène sont pertinentes pour la qualité du graphène, nous avons évalué la qualité du graphène transféré sur Si et TiO₂ Substrats /p-Si par spectroscopie Raman avec un laser de longueur d'onde de 514 nm, comme le montre la figure 1b. Il est évident que le pic G et le pic 2D du graphène sur p-Si sont à ~ 1580 cm ⁻¹ et 2681 cm ⁻¹ , respectivement. Pour le graphène sur TiO₂ /p-Si, le pic G est positionné à ~ 1575 cm ⁻¹ et le pic 2D est positionné à ~ 2667 cm ⁻¹ . Par rapport au spectre Raman du graphène sur silicium, les pics G et 2D du graphène sur TiO₂ /p-Si se déplace vers la gauche à cause de la contrainte sur le graphène causée par l'insertion de TiO₂ . De plus, les pics D sont faibles à la fois pour le graphène sur Si et TiO₂ /p-Si. Les pics 2D correspondent à un seul Lorentzien et sont plus du double de la hauteur des pics G pour les deux. Les résultats Raman indiquent que le graphène transféré sur Si et TiO₂ /p-Si est du graphène monocouche de haute qualité [31].

Conception expérimentale et spectres Raman du graphène. un Schéma du modulateur THz tout optique. Le modulateur est composé d'un graphène monocouche sur un substrat p-Si avec TiO₂ film. b Spectres Raman du graphène sur le Si et TiO₂ /Substrats p-Si

La figure 2a–c montre la transmittance des ondes THz du Si, du graphène/Si et du graphène/TiO₂ /Si à différentes puissances laser, respectivement, qui est mesurée par le système de domaine temporel Fico THz. Sans photoexcitation, Si, graphène/Si et graphène/TiO₂ /p-Si montre une transmission modérée de ~ 55% de l'onde THz en raison de l'absorption partielle et de la réflexion des porteurs puisque le Si est dopé p. Et les transmittances sans photoexcitation n'ont pas de différence notable pour toutes, indiquant le TiO₂ et le graphène n'atténuent pas l'onde THz lorsqu'il n'y a pas de photoexcitation. Par conséquent, aucune perte d'insertion supplémentaire n'est causée par le TiO₂ et le graphène. Lorsque la puissance du laser 808 nm augmente de 0 à 1400 mW, la transmission diminue dans la plage de 0,3 THz à 1,7 THz pour Si, graphène/p-Si et graphène/TiO₂ /p-Si. Lorsqu'ils sont irradiés par un laser avec une énergie supérieure à la bande interdite du Si, les électrons seront excités de la bande de valence à la bande de conduction. Les paires électron-trou excitées se formeront à la surface, entraînant une augmentation de la conductivité. Et l'absorbance THz et la réflectivité des semi-conducteurs dépendent du changement de conductivité. Par conséquent, lorsque l'onde THz pénètre à travers le Si irradié par le laser, l'intensité de l'onde THz transmise diminue. De plus, le nombre de paires électron-trou produites par Si sous une irradiation laser à 808 nm augmenterait avec l'augmentation de la puissance laser. Et l'augmentation de la conductivité du Si se traduirait par l'atténuation de l'onde THz transmise. Sur la figure 2b, la transmission du graphène/Si diminue significativement avec l'augmentation de la puissance laser par rapport à celle du silicium. Lorsque le laser est irradié sur le graphène/Si, l'absorption optique dans le Si est beaucoup plus élevée que celle dans le graphène, de sorte que le nombre de porteurs générés dans le Si est beaucoup plus grand que celui dans le graphène. Les porteurs libres vont diffuser du silicium au graphène sous l'action du gradient de concentration. Le graphène a une mobilité des porteurs plus élevée et subit donc un changement de conductivité plus important que le Si. Alors que l'absorbance et la réflectivité du THz dépendent du changement de conductivité, les performances de modulation du graphène/p-Si sont améliorées par rapport au Si. Comme le montre la figure 2c, la diminution de la transmission du graphène/TiO₂ /p-Si est brusque aux puissances laser de 200 mW et 400 mW. Lorsque la puissance du laser continue d'augmenter, la diminution de la transmission devient plus douce. Alors que la puissance laser appliquée est de 1400 mW, la transmittance THz chute à environ 10 % dans la plage de 0,3 THz à 1,7 THz. Les profondeurs de modulation peuvent être calculées par (T _{pas d'excitation} − T_excitation )/T _{pas d'excitation} , où T _{pas d'excitation} et T _excitation représentent l'intensité de la transmission THz sans et avec photoexcitation, respectivement. Afin de révéler plus intuitivement ses performances de modulation statique, nous avons tracé les profondeurs de modulation en fonction de la puissance laser pour Si, graphène/Si et graphène/TiO₂ /p-Si, comme le montre la figure 2d. La profondeur de modulation du graphène/Si est supérieure à celle du Si, tandis que la profondeur de modulation du graphène/TiO₂ /p-Si est supérieur au graphène/p-Si. Les profondeurs de modulation de tous augmentent avec l'augmentation de la puissance laser. Lorsqu'il est irradié par 200  mW, la profondeur de modulation du graphène/TiO₂ /p-Si est ~ 33%, environ 6 fois supérieur à Si, 2,5 fois supérieur au graphène/Si et supérieur aux modulateurs THz basés sur des transistors à effet de champ en graphène [21]. La profondeur de modulation du graphène/TiO₂ /p-Si peut atteindre 88 % lors du pompage par un laser 808 nm d'une puissance de 1400 µmW, supérieure au modulateur à base de graphène avec excitations électriques et optiques simultanées [26]. Par conséquent, à partir du test statique, nous pouvons conclure que le modulateur est très performant avec une large bande et une grande profondeur de modulation.

L'épreuve de modulation. Les spectres de transmission du a Oui, b graphène/p-Si, et c graphène/TiO₂ /p-Si à différentes puissances laser. d La profondeur de modulation en fonction de la puissance laser pour Si, graphène/Si et graphène/TiO₂ /Modulateurs p-Si

Afin d'obtenir le diagramme des bandes d'énergie du graphène/TiO₂ Modulateur /Si, nous avons fait le spectrophotomètre UV-visible et les mesures UPS, comme le montre la Fig. 3. D'après la Fig. 3a, nous pouvons calculer que la bande interdite de Si et TiO₂ est de 1,19 et 2,98  eV, respectivement. La figure 3b montre les mesures de l'onduleur sur Si, TiO₂ , graphène et Au. Afin de confirmer la position du niveau de Fermi du compteur, nous avons effectué les mesures UPS sur Au [32]. Et la Fig. 3c et d sont les parties agrandies de la Fig. 3b. D'après la figure 3c, l'apparition d'électrons secondaires des spectres est de 16,33, 16,97, 16,43 et 17,11  eV pour Si, TiO₂ , graphène et Au, respectivement. Par conséquent, la position du niveau de Fermi du compteur est de 0,98  eV et le travail de sortie de Si, TiO_2, et le graphène est calculé à 5,85, 5,21 et 5,75  eV, respectivement. Selon la figure 3(d), la valeur du maximum de la bande de valence de Si et TiO₂ est situé à 1,48 et 2,86 eV. Le niveau de bande de valence de Si et TiO₂ est calculé comme étant − 6.35 et − 7.09 eV. Combinaison avec la bande interdite de Si et TiO₂ , on peut obtenir le niveau de bande de conduction de Si et TiO₂ , qui vaut − 5.16 et − 4.11 eV.

Spectres d'absorption et spectres UPS. un Les spectres d'absorption de Si et TiO₂ /Si. b Spectres UPS de Si, TiO₂ , graphène et Au. c Parties agrandies de b montrant l'apparition des électrons secondaires. d Parties agrandies de b montrant le maximum de la bande de valence

Sur la base des résultats ci-dessus, le diagramme de bande d'énergie du graphène/TiO₂ L'hétérojonction /Si est illustrée à la Fig. 4. E_c , E_v , et E_F désignent respectivement l'énergie de la bande de conduction, l'énergie de la bande de valence et l'énergie du niveau de Fermi. TiO₂ est en contact direct avec p-Si, et les électrons dans TiO₂ se recombinent avec des trous dans le p-Si, résultant en une couche d'appauvrissement à l'interface. Depuis le TiO₂ est de type n "plus faible", la largeur d'épuisement en TiO₂ est plus grand que dans Si. Considérant le TiO₂ le film est très fin (~ 10 nm), un état complètement appauvri apparaîtrait dans le TiO₂ couche. Quand le graphène a été transféré sur TiO₂ /Si, il n'y avait pas d'électrons en excès dans le TiO₂ de migrer dans le graphène. Par conséquent, il n'y aurait pas de couche d'accumulation de porteurs à l'état sombre, et le THz présentait une transmission élevée, ce qui est cohérent avec les résultats de la figure 2b. Lorsque le graphène/TiO₂ L'hétérojonction /p-Si a été photoexcitée par le laser 808 nm, la quantité de paires électron-trou générées dans Si était beaucoup plus grande que dans le graphène et le TiO₂ . Lors de la photoexcitation, le niveau de Fermi du Si a augmenté au niveau du TiO₂ Interface /p-Si. De plus, les électrons se sont déplacés vers TiO₂ et les trous vers Si en raison de l'effet du champ électrique intégré. L'existence de TiO₂ amélioré la séparation des porteurs photoexcités dans Si, formant une couche conductrice de type n dans le TiO₂ mince couche, entravant la transmission de l'onde THz. Comme le TiO₂ couche est relativement mince, l'effet sur la transmission THz est légèrement moindre. Après transfert de graphène sur TiO₂ /p-Si, un grand nombre d'électrons dans TiO₂ serait injecté dans du graphène, ce qui a déplacé le niveau de Fermi dans la bande de conduction supérieure. Pendant ce temps, la conductivité du graphène a augmenté, entraînant une atténuation plus élevée de l'onde THz. Ainsi, une profondeur de modulation élevée a été réalisée.

Schéma de bande du graphène/TiO₂ /Si hétérojonction

Conclusions

En résumé, nous avons réussi à fabriquer un graphène/TiO₂ tout optique hautes performances Modulateur /p-Si térahertz. Le modulateur présente une large bande allant de 0,3 à 1,7 THz, avec une profondeur de modulation de 88 %. L'insertion de TiO₂ le film a introduit une jonction PN avec p-Si, et le champ électrique intégré a amélioré la séparation des porteurs photoexcités dans Si. Les photoélectrons ont migré de Si vers TiO₂ , puis injecté dans la couche de graphène, provoquant le déplacement du niveau de Fermi de graphène dans une bande de conduction plus élevée. Par conséquent, la modulation de transmission THz a pu être réalisée en raison de l'augmentation de la conductivité dans le graphène. L'appareil est également très simple à réaliser et peu coûteux. Il n'y a pas besoin de déposer d'électrodes, et le TiO₂ le film peut être préparé par une méthode de solution chimique. De plus, le laser que nous avons utilisé est un laser à semi-conducteur, pas nécessairement le laser à impulsions femtoseconde coûteux comme signal de modulation.

Abréviations

p-Si :

Silicium type P

THz :

Térahertz

UPS :

Spectroscopie de photoémission ultraviolette