دیودهای هندسی گرافنی برای رکتناهای نوری: فصل 5 – نتایج اندازه گیری ابزاره

دیودهای هندسی گرافنی برای رکتناهای نوری: فصل 5 – نتایج اندازه گیری ابزاره – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

دیودهای هندسی گرافنی برای رکتناهای نوری

فصل 5: نتایج اندازه گیری ابزاره

دپارتمان مهندسی برق، دانشگاه بریگهام یانگ

دانشگاه کلرادو بولدر

دپارتمان مهندسی برق، کامپیوتر و انرژی، دانشگاه کلرادو، ایالات متحده

2014

فصل 5

نتایج اندازه گیری ابزاره

الف. دیودهای هندسی فلزی

یودهای هندسی فلزی از تأثیرات الکترو مهاجرت الکتریکی رنج می برند (Black، 1969) (Lienig، 2013). شکل 5ـ1 نشان دهنده ابزاره / دستگاه نقره ای شکل 4ـ1 پس از بکارگیری ولتاژ   0.1 V DC  برای تقریباً    1  میلی  ثانیه  با  استفاده  از  آنالیز پارامتر   HP 4145B   می باشد. چگالی بالای الکترون ها به طور فیزیکی قابلیت رانش اتم های فلزی را دارند.

ب. اندازه گیری ابزاره گرافنی با DC

همانگونه که در فصل 4 تشریح شد، در این مبحث از گرافن به عنوان ماده مورد نظر به واسطه بار MFPL و ظرفیت آن جهت کار با چگالی کاملاً بالا جریان همانند ~ 10⁸ A/cm² استفاده شده است (Avouris، 2010).  این  ویژگی  اجازه  ساخت  ابزاره هایی را فراهم می آورد که به طور قابل توجهی با در نظرگیری ظرفیت های تکنیک های لیتوگرافی کنونی بزرگ می باشند.

اندازه گیری اثر ـ گیت گرافن

یک ویژگی منحصر به فرد گرافن ساختار باند مخروطی آن می باشد (Castro، 2009)، که اجازه می دهد تا غلظت حامل گرافن را بتوان از طریق ولتاژ گیت کنترل نمود. این اثر گیت را می توان از طریق اندازه گیری جریان درین ـ سورس (I_DS) در برابر ولتاژ گیت (V_G) نوار گرافنی اندازه گیری نمود. ولتاژ گیت را می توان برای سوبسترا یا از طریق اضافه نمودن یک ساختار گیت فوقانی بکارگرفت. منحنی I_DS در برابر V_G تحت عنوان منحنی دیراک خوانده می شود (Castro، 2009). نقطه خنثی بار (CNP) برای ولتاژ گیت رخ می دهد که در آن الکترون و غلظت های حفره به صورت برابر و متناظر با حداقل رسانایی می باشند.

قبل از اندازه گیری دیودهای هندسی گرافنی ساخته شده، MFPL در گرافن از اثر گیت گرافنی برآورد شده فوق محاسبه می شود (Nayfeh، 2011). مرحله اندازه گیری اثر گیت با استفاده از تماس های چهار نقطه ای در شکل 5ـ2 نشان داده شده است. برآوردهای چهار نقطه ای با ولتاژ بایاس ضربانی جهت حذف مقاومت تماسی از طریق مجزاسازی الکترودهای حمل جریان و حسگری ولتاژ اعمال می شود (Zhu، 2013)، با این حال مقاومت تماسی ابزاره های ما صرفاً تا حد 20 اهم اندازه گیری می شود، که بسیار کمتر از مقاومت کیلو اهمی برای ابزاره های گرافنی است. ولتاژ DC برای دو بخش تماسی فلزی بیرونی بکار گرفته شده است و جریان I_DS نیز به صورت همزمان اندازه گیری شده است. به طور همزمان، افت ولتاژ حقیقی V_DS در امتداد دیود بین دو ناحیه تماسی داخلی اندازه گیری می شود. برای ابزاره های گرافنی، قابلیت انجام اندازه گیری اثر گیت ضروری تلقی می شود. بر این مبنا از طریق اتصال یک منبع برق به نگه دارنده فلزی ایستگاه پروب اقدام به اعمال ولتاژ گیت شده است. به علاوه، سوبسترای سیلیکونی ویفر دارای تماس اهمی با نگه دارنده فلزی ایستگاه پروب می باشد. تماس اهمی از طریق کاربرد ویفرهای سیلیکونی کاملاً دوپه شده حاصل می شود، همانگونه که در فصل 4 ذکر شد، و از این طریق قابلیت بکارگیری ولتاژ گیت برای سطح زیادی از سوبسترای ویفر فراهم خواهد شد. در این راستا همچنین اقدام به برآورد ولتاژ گیت واقعی بر روی سطح ویفر از طریق اچ لایه SiO₂ فوقانی شده است. تفاوت بین ولتاژ و سطح فوقانی ویفر و نگه دارنده فلز قابل اغماض می باشد.

اندازه گیری دیودهای هندسی گرافنی

در آغاز این پروژه، از تحلیل گر پارامتر HP HP4145B جهت انجام برآورد چهار نقطه ای همانگونه که در بالا تشریح شد استفاد شده است. با این وجود، غالب ابزاره ها از نقطه نظر الکتریکی به هنگام شکل دهی یک مدار باز پس از اندازه گیری ها با مشکل روبرو شده اند و این مورد حتی برای سوئیچ G و E که برای اتصال به زمین نیز مورد استفاده قرار گرفته است صادق می باشد. پس از اتصال خروجی تحلیل گر پارامتری به یک اسیلوسکوپ، شکل موج خروجی نامتعارفی همانگونه که در شکل 5ـ4 نشان داده شده است حاصل شد. به هنگامی که خروجی تحلیل گر پارامتر تحت برنامه ریزی جهت جاروب از -V_p to +V_p بکار گرفته شد، خروجی حقیقی از حالت غیرفعال 0-V، الی جاروب -V_p، و متعاقباً جاروب تا +V_p تداوم یافت. در نهایت، به هنگامی که آنالیزر پارامتر جاروب ولتاژ را به انتها رساند، به جای خاموش نمودن خروجی (برگشت به ولتاژ صفر)، این تحلیل گر یک خروجی -V_p پالس ـ کوتاه را حاصل نموده و متعاقباً به خروجی صفر ولت بازگشت نمود. این پالس سبب ایجاد یک تکانه کوتاه الکتریکی با شدت 2V_p گردیده و سبب صدمه دیدگی بسیاری از ابزاره ها شده است.

اندازه گیری تصدیقی اثر هندسی

به منظور تصدیق اثر هندسی، در این مبحث اقدام به ساخت دیودهای هندسی گرافنی CVD و ابزاره های پیوند متقارن گرافن شده است. دیودهای ساخته شده از گرافن CVD تقریباً دارای پهنای گردنه مشابه با دیودهای ساخته شده با استفاده از گرافن لایه برداری شده می باشد. گرافن CVD در مقایسه با گرافن لایه برداری شده دارای MFPL کوتاهتری به واسطه دوپه سازی در طی فرآیند CVD و اندازه دانه ای کوچک گرافن CVD، همانگونه که در فصل 4 تشریح شده است، می باشد. در شکل 5ـ7 دیودهای گرافنی CVD معرف عدم تقارن کمتر در مقایسه با ابزاره های لایه برداری شده می باشند. به علاوه، ابزاره های تابع متقارن هیچ گونه عدم تقارنی را در رفتار I(V) نشان نداده و A همانند مورد تشریح شده حفظ خواهد شد.

ج. اندازه گیری ابزاره های رکتنا در 28 تراهرتز

 ویژگی های اندازه گیری پاسخ نوری

شرایط اندازه گیری نوری رکتنا در شکل 5ـ9 نشان داده شده است. یک لیزر CO₂ فروسرخ SYNRAD 481SWJ در این مبحث اقدام به ایجاد یک تابش 28 تراهرتزی می نماید. توان لیزر CO₂ به وسیله تغییر پهنای پالس از مولد پالس کنترل می شود. ما از یک لیزر He–Ne قرمز جهت کمک به همترازی لیزر CO₂ در ارتباط با این ابزاره استفاده می نماییم. یک صفحه نیم موج بر روی مسیر نوری قابلیت ایجاد دوران قطبش لیزری در ارتباط با محور آنتن را مهیا می سازد. یک برشگر سیستم تحقیقات استنفورد (SRS) با 25 تیغه برای برش مکانیکی پرتوی لیزری در 280 تراهرتز مورد استفاده قرار گرفت. برشگر مشابهی نیز قابلیت ایجاد یک مرجع برای آمپلی فایر SR830 را فراهم می آورد. بنابراین، این آمپلی فایر قفل شونده قابلیت تشخیص جریان خروجی مدول شده و سیگنال ولتاژ در فرکانس قطع را خواهد داشت. قبل و بعد از هر اندازه گیری نوری، با استفاده از یک سوئیچ جیوه ای اقدام به اتصال کوتاه پروب ها به زمین جهت اجتناب از صدمه دیدگی ابزارها، ناشی از تخلیه الکترواستاتیکی، می شود. اندازه گیری های دو نقطه ای بر روی دیودهای آنتن دار در هوا و با توجه به شرایط دمای اتاق انجام شد.

اندازه گیری پاسخ نوری رکتنا

پاسخ های نوری اندازه گیری شده رکتنای دیود ـ گرافنی / آنتن فلزی و رکتنای دیود ـ گرافنی / آنتن گرافنی در شکل های 5ـ10 و 5ـ11 به ترتیب نشان داده شده اند. با وجود آنکه پاسخ دهی حداکثری در بایاس V_DS > 1 V DC، همانگونه که در شکل 5ـ6 (ج) نشان داده شده است، هیچ گونه V_DS خارجی یا V_G در طی برآوردهای نوری مورد نیاز نیستند. هر دو مورد ولتاژ مدار باز یکسو شده و جریان کوتاه مدار در شکل های 5ـ10 و 5ـ11 دارای وابستگی کسینوسی ـ مربع بر روی زاویه قطبش بوده که خود مؤکد پاسخ نوری به واسطه تابش و جفت شدگی آن در امتداد آنتن پاپیونی می باشد. وابستگی زاویه ای پاسخ نوری معرف آن است که یکسوسازی نه به واسطه نفوذ حامل های بار ایجاد شده نوری و نه به واسطه نتایج اثرات ترموالکتریکی ناشی از نوردهی غیریکنواخت دیود می باشند. به علاوه، هیچ گونه ولتاژ گیتی در طی این اندازه گیری اعمال نشده و ما با استفاده از یک سوئیچ جیوه ای ابزاره مورد بررسی را قبل از اندازه گیری به زمین متصل نمودیم. بنابراین، هیچ گونه پیوند p-n در نتیجه V_DS و V_G کاربردی شکل نگرفته است (Williams، 2007).

برآورد تصدیقی برای پاسخ نوری رکتنا

جهت تصدیق رزونانس آنتن پاپیونی فلزی ما در 28 تراهرتز، برآورد میدان ـ نزدیک آنتن با استفاده از روش میکروسکوپی نوری میدان ـ نزدیک روبشی (snom) انجام شد. الگوی میدان نزدیک مسیر ـ z حاصله در شکل 5ـ12 به طور آشکار نشان دهنده پاسخ تشدیدشدگی یا رزونانس آنتن در 28 تراهرتز  و  در  انطباق  با دیگر  آنتن های  مشابه  می باشد (Olmon، 2008). میدان نزدیک در مسیر ـ z در بالای دو بازوی آنتن پاپیونی به صورت متقارن و به میزان 180 درجه خارج از فاز در امتداد محور ـ y عمودی می باشد. اندازه گیری میدان نزدیک نیز در گروه Markus Raschke در دانشگاه کلرادوی بولدر انجام شد.