• 【2019】【论文笔记】基于石墨烯/TiO2/Si三层异质结的全光THz调制——

    前言

    类型
    太赫兹 + 异质结 太赫兹 + 异质结 太赫兹+异质结
    期刊
    N a n o s c a l e R e s e a r c h L e t t e r s Nanoscale Research Letters NanoscaleResearchLetters
    作者
    M i a o q i n g W e i , D a i n a n Z h a n g , Y u a n p e n g L i , L e i Z h a n g , L i c h u a n J i n , T i a n l o n g W e n , F e i m i n g B a i a n d H u a i w u Z h a n g Miaoqing Wei, Dainan Zhang, Yuanpeng Li, Lei Zhang, Lichuan Jin , Tianlong Wen, Feiming Bai and Huaiwu Zhang MiaoqingWei,DainanZhang,YuanpengLi,LeiZhang,LichuanJin,TianlongWen,FeimingBaiandHuaiwuZhang

    时间
    2019 2019 2019

    目录


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    研究目的

    THz调制器的材料研究中，硅和锗制作的调制器调制性能不理想，调制深度不高

    有两种新材料：

    1. 超材料。高速THz调制器可以通过将超材料和半导体结合来实现
    2. 相变材料（如 V O 2 VO_2 VO2​）。 V O 2 VO_2 VO2​在一定温度或电压下，二氧化钒可以在绝缘、金属两种状态之间发生可逆相变，电磁特性也会改变——金属转态导致THz波的衰减，绝缘状态下THz波容易穿透——但是温度调制太慢

    石墨烯因其优异的电子、光学和机械性能而逐渐应用于太赫兹技术

    可以通过将石墨烯与超材料集成，设计了一种电控太赫兹调制器——当金属原子的强共振增强石墨烯的电学和光学性质时，光-物质相互作用增强，实现传输太赫兹波的振幅调制47%，相位调制32.2%

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    该论文制作了石墨烯/ T i O 2 TiO_2 TiO2​/ p − S i p-Si p−Si纳米结构全光THz调制器，在 0.3 ∼ 1.7 T H z 0.3\sim 1.7THz 0.3∼1.7THz范围内有最大 88 % 88\% 88%的调制深度

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    制作方法

    将500μm厚的Si（p型，电阻率ρ~1–10Ωcm）衬底依次用丙酮、乙醇和去离子水在超声浴中洗涤20分钟，

    然后浸入4.6 m HF溶液中10分钟，以去除表面上的天然氧化物层

    接下来，将清洁的Si浸入343K下的0.1M TiCl4水溶液中1h，以获得10nm厚的 T i O 2 TiO_2 TiO2​膜

    通过化学气相沉积在铜上生长单层石墨烯

    然后，通过使用湿法蚀刻方法将石墨烯转移到TiO2膜上，以形成石墨烯/TiO2 /p-Si异质结构

    整个样品面积为 1 c m 2 1cm^2 1cm2

    通过拉曼光谱对石墨烯的质量进行了表征

    通过紫外-可见分光光度计（Shimadzu，UV-3600）测量吸收光谱

    进行紫外光电子能谱（UPS）（Thermo Scientific，Escalab 250Xi）测量以获得能带结构

    静态调制由Fico THz时域系统（Zomega-Terahertz Corporation）评估

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    实验分析

    全光学石墨烯/ T i O 2 TiO_2 TiO2​/ p − S i p-Si p−Si太赫兹调制器的结构示意
    在这里插入图片描述

    太赫兹波和激光同时从石墨烯侧入射

    采用波长为808nm、光斑直径为 ∼ 5 m m \sim 5mm ∼5mm、功率为 0 ∼ 1400 m W 0\sim 1400mW 0∼1400mW的半导体激光器作为调制信号

    太赫兹光束（ ∼ 3 m m \sim 3mm ∼3mm）可与激光束重叠

    并通过THz-TDS系统在不同激光功率下测量透射的THz波

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    由于石墨烯调制器的性能与石墨烯的质量相关，使用514nm波长激光通过拉曼光谱评估了Si和TiO2/p-Si衬底上转移石墨烯的品质，如图1b所示

    与硅上石墨烯的拉曼光谱相比， T i O 2 TiO_2 TiO2​/ p − S i p-Si p−Si上石墨烯上的G峰和2D峰向左移动，这是因为TiO2嵌入对石墨烯造成的应力

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    此外，对于Si上的石墨烯和 T i O 2 TiO_2 TiO2​/ p − S i p-Si p−Si，D峰都很弱。2D峰适合于单个洛伦兹峰，并且两个峰的高度都是G峰高度的两倍以上???

    （2D大于两倍G的高度，就是高质量的石墨烯了？？？）

    拉曼结果表明， S i Si Si和 T i O 2 TiO_2 TiO2​/ p − S i p-Si p−Si上转移的石墨烯都是高质量的单层石墨烯

    拉曼光谱：
    利用物质分子对入射光所产生的频率发生较大变化的散射现象, 将单色入射光（包括圆偏振光和线偏振光）激发受电极电位调制的电极表面，通过测定散射回来的拉曼光谱信号（频率、强度和偏振性能的变化）与电极电位或电流强度等的变化关系

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    没有光激发时， T i O 2 TiO_2 TiO2​和石墨烯不会衰减太赫兹波。因此， T i O 2 TiO_2 TiO2​和石墨烯不会造成额外的插入损耗

    当用能量大于Si带隙的激光照射时，电子将从价带激发到导带。
    激发的电子-空穴对将在表面上形成，导致电导率增加。
    半导体的太赫兹吸收率和反射率取决于电导率的变化

    能量大于 S i 带隙的激光 ⇒ 电子空穴在表面形成 ⇒ 电导率增加 ⇒ T H z 吸收率和反射率增加 能量大于Si带隙的激光 \Rightarrow 电子空穴在表面形成 \Rightarrow \\ \\ 电导率增加 \Rightarrow THz吸收率和反射率增加 能量大于Si带隙的激光⇒电子空穴在表面形成⇒电导率增加⇒THz吸收率和反射率增加

    因此，当太赫兹波穿透激光辐射的硅时，透射太赫兹波的强度将降低

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    调制深度

    当激光照射到 石墨烯 / S i 石墨烯/Si 石墨烯/Si上时， S i Si Si中的光学吸收远高于石墨烯中的光吸收，因此Si中产生的载流子数量远大于石墨烯中产生的载流子数量

    ⇒ \Rightarrow ⇒ 在浓度梯度的作用下，自由载流子将从硅扩散到石墨烯

    石墨烯具有高电子迁移率，因此石墨烯的电导率比硅的电导率变化更大

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    石墨烯 / T i O 2 / p − S i 石墨烯/TiO_2 /p-Si 石墨烯/TiO2​/p−Si 的透过率在200mW和400mW的激光功率下急剧下降。当激光功率继续增加时，透射降低变得更温和

    当施加的激光功率为1400MW时，在0.3THz至1.7THz的范围内，THz透射率下降至约10%

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    调制深度 = T n o    e x c i t a t i o n − T e x c i t a t i o n T n o    e x c i t a t i o n 调制深度=\frac{T_{no \; excitation} - T_{excitation} }{T_{no \; excitation}} 调制深度=Tnoexcitation​Tnoexcitation​−Texcitation​​

    其中 T n o    e x c i t a t i o n T_{no \; excitation} Tnoexcitation​和 T e x c i t a t i o n T_{excitation} Texcitation​分别表示无光激发和有光激发时的太赫兹传输强度

    石墨烯/Si的调制深度高于Si，而石墨烯/TiO2/p-Si的调制度深度高于石墨烯/p-Si。它们的调制深度都随着激光功率的增加而增加

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    • TiO2的存在增强了硅中光激发载流子的分离，在薄TiO2层中形成了n型导电层，阻碍了太赫兹波的传输

    但是由于 T i O 2 TiO_2 TiO2​层相对较薄，对太赫兹透射的影响较小

    在 T i O 2 / p − S i TiO_2/p-Si TiO2​/p−Si上转移石墨烯后， T i O 2 TiO_2 TiO2​中的大量电子将注入石墨烯，从而将费米能级转移到更高的导带

    把 T i O 2 / p − S i 转移到石墨烯上 ⇒ 石墨烯电导率增加 ⇒ T H z 衰减增加 把TiO_2/p-Si转移到石墨烯上 \Rightarrow 石墨烯电导率增加 \Rightarrow THz衰减增加 把TiO2​/p−Si转移到石墨烯上⇒石墨烯电导率增加⇒THz衰减增加

    ⇒ \Rightarrow ⇒ 石墨烯的电导率增加，导致太赫兹波的更高衰减，实现了高调制深度

    （衰减更多，有光和无关情况下的区别更大了）

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    结论

    成功地制造了一种高性能的全光学石墨烯/TiO2 /p-Si太赫兹调制器

    具有0.3至1.7太赫兹的宽带，调制深度为88%

    T i O 2 TiO_2 TiO2​薄膜的插入引入了与 p − S i p-Si p−Si的PN结，内置电场增强了Si中光激发载流子的分离

    光电子从硅迁移到 T i O 2 TiO_2 TiO2​，然后注入石墨烯层——导致石墨烯的费米能级转移到更高的导带——由于石墨烯电导率的增加，可以实现太赫兹传输调制。

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    该装置也非常容易制造且成本低

    不需要沉积电极，并且可以通过化学溶液方法制备TiO2膜。

    此外，该论文使用的激光器是半导体激光器，不一定是昂贵的飞秒脉冲激光器作为调制信号（激光信号）。

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    问题

    石墨烯 / T i O 2 / p − S i 石墨烯/TiO_2/p-Si 石墨烯/TiO2​/p−Si算是哪种调制器件？超材料还是相变材料？

    什么叫 T i O 2 TiO_2 TiO2​薄膜的插入引入了与 p − S i p-Si p−Si的PN结？

    为什么内置电场增加了Si中光激发载流子的分离？

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