Rezultate 2015-2016

Masuratori DC si in microunde a diodei Schottky pe grafena

Masuratorile in microunde s-au efectuat cu un vector network analyzer VNA (Fig. 1) cu ajutorul unui staii de probe PM4 Karl-Suss cu ajutorlul unor probe tips coplanare cu distanta dintre cei trei electrozi de 150 mm (Fig.2) . Dioda Schottky a fost intentionat proiectata in linie coplanara (CPW) cu dimensini potrivite in asa fel incat probe-tips de la statia de masura sa se potrivieasca cu dimensiunile de intrare-iesire ale diodei. Masurarile de DC s-au facut simultan cu cele de microunde cupland statia Keithley 4200 SCS la VNA prin intermediul porturilor bias tee. In acest fel, cu dioda Schottky pozitionata in statia de proba se pot face masuratori de DC sau microunde utilizand 4200 SCS ca sursa de tensiune variabila.

Fig. 1. Statia de masura Fig. 2. Dioda in contact cu probe –tips

S-a masurat dependenta DC curent-tensiune. Rezultatele sunt prezentate in Fig. 21.  Se contata 3 regiuni ale diodei –o regiune forward biased unde dioda are caractersticle unei diode Schottky cu n= 1.9 si curent  de ordinul mA depasind  alte diode Schottky realizate pe grafena cu 2-3 ordine de marime ( de ex. [8]).. Apoi urmeaza o zona  de curent foarte mic cu un curent de scurgere de 10 nA, si o regiune de breakdown (strapungere).

Fig. 1. Caracteristica I-V a diodei

S-au masurat parametrii S functie de tensiunea aplicata. Daca pentru modulul lui S21 (transmisia ) nu se constata variatii si pierderile sunt  constatante pana la 65 Ghz de aproximativ -4 -5dB, faza are dependenta din Fig. 4  intre 40-65 GHz

Fig. 1. faza S21 functie de tensiunea DC aplicata.

Deplasarea totala in faza este 22 0 adica aproximativ 60/V. Se constata ca diode Schottky pe grafena este un defazor liniar controlat in tensune intr-o banda de 20 GHz , ceea ce reprezinta un rezultat notabil.

2016
1. Simularea circuitului echivalent al diodei Schottky bazata pe grafena utilzand o linie CPW.
Dioda Schootky pe graphene fabricata in etapele anterioare  are circuitul echivalent din Fig. 5, unde distingem o rezistenat serie si una a diodei Schottky variabila, in paralel cu o capacitate.

Fig. 5 Circuitul echivalent al diodei Schottky pe grafena.

Simularea s-a facut folosind programul software Microwave Office –AWR pentru care avem licenta. Scopul acestei simulari este ; (i) determinarea rezistentelor Rs, R ci Cj la diferite tensiuni aplicate in asa fel incat datele simulate sa concorde cu cele masurate.(ii) compararea rezulatelor simulate cu cele masurate.
In acest scop dimensiunile liniilor CPW au fost introduse in program si rezultatele sunt prezentate in Tabelul 1.

Tabelul 1 Circuitul echivalent al diodei Schottky pe grafena


Tensiunea DC aplicata(V)

Rs(W)

R(kW)

Cj(fF)

1

60

12

3.5

2

60

8

3.5

3

60

8

3.5

4

60

0.85

3.5

 

 

 

 

 

 

Se constata ca la o dioda Schottky pe grafena elementul neliniar este o rezistenta si nu o capaciatate ca in cazul semiconductoare Schotky . Acest fapt se datoreaza proiectarii diodei Schottky pe grafena ,unde bariera Schottky este rezultatul alegerii a contactelor metalice cu lucru de extractie (workfunction) diferit, in cazul nostru Ti si Cr cu valori -4.3 eV si -4.5 eV. diodelor

Am aratat ca acesta dioda Schottky pe grafena este un defazor comandat in tensiune. Mai jos, se observa in Fig. 23 comparatia dintre rezulatele siulate si cele masurate. Rezultatele sunt asemnatoare si arata ca simularea si-a atins scopurile; (i) permite scalarea diodei la alte dimesniuni (b) circuitul echivalent poate fi folosit in design pentru circuite integrate pe grafena-detectoare, multiplicatoare.

2. Caracterzarea multiplicatorului bazat pe grafena in DC microune si unde millimetrice pana la 65 GHz.

 Multiplicatorul pe grafena este prezentat in imaginea SEM din Fig. 6 si consta in doua linii cuplate pe grafena cu distanta dintre ele de 1 mm conctate la o linie CPW din Au. La intrare se conecteaza un generator cu frecventa f ,iar la iesire se urmaresc frecventele f,2f, 3f...cu ajutorul unui analizor spectral. Sistemul de masura este prezntat in Fig. 23b.Multiplicatorul s-a realizat printr-o combinatie de litografie e-beam si depuneri metalice asa cum s-a descris in etapele anterioare ale proiectului.

a b
Fig.6 Multiplicatorul pe grafena (b) sistemul de masura

In Fig. 7 se prezinta raspunsul multiplicatrului la frecventele de 3, 5, 6 , 9 GHz. Initial in 2013 am facut masuratori de baza pe multiplicator acum s-au reluat pe cateva multiplicatoare pentru a verifica reproductibilitatea rezultatelor si a fenomenelor fizice noi care apar in multiplicator. Rezultatele sunt prezentate in Fig. 7. Rezultatele demosntreaza validitatea multiplicatorului care multiplica numai datorita faptului ca grafena are un raspuns neliniar la excitatia electromagnetica in doemniul micrundelor ,fiind analog unui material neliniar optic.

Fig.7 Raspunsul multiplicatorului in freceventa la: (a) 3 GHz ,(b) 5 GHz (c) 6 GHz (d) 9 GHz Puterea la intrare  0dB si tensiune si tensiune 4V in toate cazurile (a0-(d)

Anexa 1 Articole ISI cu mentiunea “this work was supported by a grant of Romanian National Authority for Scientific Research, CNCS-UEFISCDI, Project number PN-II-IDPCE-2011-3-0071

  1. A. Radoi, M.Dragoman, A.Cismaru, G.Konstantinidis, and D.Dragoman, Self-powered microwave devices based on graphene ink decorated with gold nanoislands, J. Appl.Phys. 112, 064327 (2012).
  2. M.Dragoman, D. Neculoiu, A.Cismaru, G.Deligeorgis, G. Konstantinidis, and D.Dragoman, Graphene nanoradio: Detecting radiowaves with a single atom sheet, Appl. Phys. Lett. 109, 033109 (2012).
  3. M.Dragoman, G. Deligeorgis, A.Muller, A.Cimaru, D.Neculoiu, G. Konstantinidis, D.Dragoman, A.Dinescu and F. Comanescu, Millimeter wave Schottky diode on graphene monolayer via symmetric metal contacts, J. Appl. Phys. 112, 084302 (2012).
  4. M Dragoman, G Konstantinidis, K Tsagaraki, T Kostopoulos, D Dragoman and D. Neculoiu, Graphene-like metal-on-silicon field-effect transistor,  Nanotechnology 23 305201(2012).
  5. Mircea Dragoman, Alina Cismaru, Adrian Dinescu, Daniela Dragoman, G. Stavrinidis, and G. Konstantinidis, Enhancement of higher harmonics in graphene-based coupled coplanar line microwave multipliers, Journal of Applied Physics 114, 154304 (2013).
  6. M.Dragoman, Nanoelectronics on a single atom sheet, Romanian Reports in Physics, Vol. 65, No. 3, P. 792–804, 2013.
  7. Mircea Dragoman, Detection of electromagnetic waves with a single carbon atom sheet, Proc. Romanian Academy, series A . vol.15, pp.208-215 (2014).
  8. M. Dragoman, D. Neculoiu, Al.-C. Bunea, G. Deligeorgis, M. Aldrigo, D. Vasilache, A. Dinescu, G. Konstantinidis, D. Mencarelli, L. Pierantoni, and M. Modreanu, A tunable microwave slot antenna based on graphene, Appl. Phys. Lett. 106, 153101 (2015).
  9. M. Dragoman, A. Cismaru, M.  Aldrigo, A. Radoi, and D. Dragoman, Switching microwaves via semiconductor-isolator reversible transition in a thin-film of MoS2, J. Appl. Phys.  118, 045710 (2015).
M. Aldrigo, M.Dragoman, Graphene rectenna for efficient energy harvesting at terahertz frequencies, Applied physics Letters 109, 113105 (2016)