石墨烯_锰锌铁氧体_硅薄膜...及其太赫兹波的磁场调制作用_魏苗清.pdf
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1、磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 1 石墨烯/锰锌铁氧体/硅薄膜特性及其太赫兹波的磁场调制作用魏苗清,金立川,李颉,张怀武(电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都 611731)摘要:近年间,基于磁性薄膜的太赫兹调制器件有了初步进展。对磁控溅射锰锌铁氧体薄膜的制备工艺进行了详细研究。在此基础上,制备了石墨烯/锰锌铁氧体/硅(graphene/MnZn ferrite/Si)结构的太赫兹调制器件。其在太赫兹波段的透射可以通过源-栅电压来调制。当栅极电压Vsg为25 V时,垂直膜面磁场从20 Oe增大到200 Oe,复折射率和复介电常数的实部随之增高
2、。由于锰锌铁氧体薄膜的反常塞曼效应和各向异性磁电阻效应引起薄膜整体电导率和折射率的变化,实现了外加磁场对太赫兹波相位的调制。关键词:锰锌铁氧体薄膜;太赫兹波;相位调制中图分类号:TM277+.1文献标识码:A文章编号:1001-3830(2023)02-0001-05DOI:10.19594/ki.09.19701.2023.02.001著录格式:魏苗清,金立川,李颉,等.石墨烯/锰锌铁氧体/硅薄膜特性及其太赫兹波的磁场调制作用J.磁性材料及器件,2023,54(2):1-5./WEI Miao-qing,JIN Li-chuan,LI Jie,et al.Properties of Grap
3、hene/Mn-Zn ferrite/silicon thin films and modulation effects of magnetic field to terahertz wave J.Journal of Magnetic Materials and Devices,2023,54(2):1-5.Properties of graphene/Mn-Zn ferrite/silicon thin films and modulation effects of magnetic field to terahertz waveWEI Miao-qing,JIN Li-chuan,LI
4、Jie,ZHANG Huai-wuState Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,ChinaAbstract:In recent years,terahertz modulation devices based on magnetic thin films have made preliminary progress.The preparation process
5、 of magnetron sputtering manganese-zinc ferrite thin films is studied in detail.On this basis,a graphene/MnZn ferrite/Si structure terahertz modulation device was fabricated.Its transmission in the terahertz band can be modulated by the source-gate voltage.For the gate voltage Vsg of 25 V,when the m
6、agnetic field vertical to film increases from 20 Oe to 200 Oe,the real part of the complex refractive index and the complex permittivity increases.Due to the change of the overall conductivity and refractive index of the film caused by the anomalous Zeeman effect and anisotropic magnetoresistance ef
7、fect of the MnZn ferrite film,the phase modulation of the terahertz wave by the external magnetic field is realized.Key words:Mn-Zn ferrite film;terahertz wave;phase modulation1 引言太赫兹调制器是实现太赫兹通信、成像、传感等应用的关键。早年间,利用传统硅基、锗基半导体,已经有许多太赫兹调制器件被开发出来。但其调制深度不高,调制速度低,与实际可用水平相去甚远1-4。基于石墨烯的场效应晶体管太赫兹调制器可以通过栅极电压改变
8、石墨烯费米能级,释放更多的电子态,导致对太赫兹波的吸收增强,从而可实现对太赫兹波的幅值调制5。采用介电常数更高的薄膜6-8作为栅介质材料,可以有效地减少石墨烯的库伦散射和等效腔体效应,从而获得较大的石墨烯场效应晶体管跨导。而尖晶石铁氧体具有高频低损耗、高介电常数和高磁导率等优点,广泛应用于通讯、雷达、电信、工业自动化设备等领域9-11。将锰收稿日期:2022-02-21 修回日期:2022-06-15通讯作者:张怀武 E-mail:磁性材料及器件 第 54 卷 第 2 期 2023 年 3 月 2 锌铁氧体应用于石墨烯太赫兹调制器已得到证明12,但是其磁场调制未深入研究。本文通过优化锰锌铁氧体
9、薄膜制备工艺,研究了电场和磁场对石墨烯/MnZn铁氧体/Si的影响。2 实验首先采用成都腾工米尼真空镀膜设备公司生产组装的磁控溅射系统用射频磁控溅射方法在p型Si(100)衬底表面上制备Mn0.5Zn0.5Fe2O4薄膜。接着采用化学气相沉积法在铜衬底上生长单层石墨烯,然后旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),并浸入1 mol/L FeCl3溶液中90 min以去除铜背底。然后,用干净的载玻片将PMMA/石墨烯从刻蚀液中移出,放入盛有去离子水的培养皿中浸泡去除残余的FeCl3溶液,此过程重复三次。之后,采用Mn0.5Zn0.5Fe2O4/Si衬底从培养皿中捞取PMMA涂覆的单层石墨烯并干燥,最后将
10、PMMA涂覆的石墨烯/MnZn铁氧体/Si浸入丙酮溶液中以去除PMMA。源极、漏极和栅极通过金蒸发方式制备。最终器件结构如图1所示。采用英国Bede公司的D1 System X射线衍射仪(Cu K1辐射,波长为1.540562)分析铁氧体薄膜的相成分。采用日本SEIKO公司300HV原子力显微镜(AFM)观察铁氧体薄膜的微观形貌。采用Zomega Terahertz公司的Z-2型THz-TDS系统测试太赫兹波参数,其由Z-2型分光器、外部锁定放大器以及微机组成。太赫兹波激发源为内部的IMRA F-100光纤激光器,而检测系统则是由一个大口径的光电导天线和电光晶体(ZnTe晶体)组成。该系统的有
11、效频率范 围 为 0.13 THz。采 用 日 本 IWATSH 公 司 的BHV525的振动样品磁强计测试样品的磁性能。3 结果与讨论在溅射氩气气压为0.6 Pa、基片温度为250、溅射时间15 min工艺条件不变的情况下,采用射频磁控溅射法,在(001)取向的p-Si单晶基片上分别制备了溅射功率为90 W、100 W、120 W、130 W和150 W的锰锌铁氧体薄膜,并对其进行了X射线衍射分析,结果如图2所示。从图2中可以看出,不同溅射功率制备的锰锌铁氧体薄膜均形成完整的尖晶石相,其(111)、(311)、(400)和(511)衍射峰都比较明显,(311)是最强峰。溅射功率为90 W和1
12、00 W时,薄膜各峰高相当,当溅射功率增大到 120 W时,薄膜(311)峰强略有下降,但(111)、(400)和(511)峰高都略有增加。但是当功率继续增至130 W和150 W时,各峰高都有下降。这主要是因为磁控溅射的溅射功率会影响入射离子能量,进而影响靶材表面原子的溅射率,从而影响成膜速率。一定范围内成膜速率与溅射功率成线性关系。因此较低的溅射功率会使薄膜结晶缓慢并且具有较多非晶态,而且也使薄膜原子与真空室中残余的气体分子发生反应的机会增大。溅射功率过高时溅射原子获得的能量过高,在成膜过程中与薄膜表面原子发生碰撞,薄膜结构会因此发生一定程度的损坏,进而影响薄膜性能。当混合气体压强从0.2
13、 Pa到0.8 Pa变化时,溅射薄膜经550 退火1 h后的微结构和磁性能如图3所示。从图3a可以看出,在较低的混合溅射气压0.2 Pa时,薄膜仅仅有一个(311)明显尖晶石特征峰,随气压增高,衍射峰增多,在 0.6 Pa 出现(311)、(111)、(400)、(422)、(511)等多个峰,而在0.8 Pa时薄膜则沿(400)择优取向,峰高最大。从图3b可以看15202530354045505560020040060080010001200 Intensity(a.u)2/()(111)(311)(400)(511)120 W100 W90 W130 W150 W 图2 对应不同溅射功率的
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