CN103337772A - 基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，包括衬底及形成于该衬底上的扶椅型石墨烯纳米带；所述衬底上、该石墨烯纳米带的两端上分别设有电极，该电极之间加有一为所述石墨烯纳米带两端提供直流偏置电压的直流电源，使得该石墨烯纳米带在该直流偏置电压下产生频率处于太赫兹频段的高频电流振荡。本发明中，石墨烯纳米带在外加偏置电压下于太赫兹频段表现出负微分特性，可以产生太赫兹波。基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件在产生太赫兹波方面具有天然的优越性，能够实现较大的太赫兹增益。且石墨烯纳米带易于操纵、裁剪及容易集成，使得基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件的设计灵活性更大。

Description

基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件
技术领域
本发明属于半导体器件领域及太赫兹技术领域，涉及一种太赫兹辐射源，特别是涉及一种基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件。
背景技术
自从2004年曼彻斯特大学的Novoselov和Geim小组发现了单层石墨以来[K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,andA.A.Firsov,Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films,Science306,666(2004)]，石墨烯的研究引起了人们的广泛关注。石墨烯具有其他碳家族成员所不具备的独特的物理特性，如反常整数量子霍尔效应，本征石墨烯的有限电导，以及普适光电导等。利用这些有趣的物理特性，石墨烯可以用于新型光电器件的设计。
由于平面结构的单层石墨能够很容易地进行操纵与裁剪，并且与现有的大规模集成电路工艺技术有很高的兼容性，人们有望把未来的“芯片”刻蚀到石墨片上，这也使得石墨烯成为目前理论和实验研究的热门对象。目前实验室通过纳米加工技术研制出的带状单层石墨烯在宽度方向上的尺度处在纳米量级，因此被称作石墨烯纳米带。通过控制切割的方向和裁剪的尺度，石墨烯纳米带的边界可以裁剪成折线（zigzag）状或者扶椅（armchair）状等，从而改变石墨带的电子能带结构和电学性质。利用这些新奇的物理特性，人们可以研制出一些新型的纳米量子器件。可以说，石墨烯以及石墨烯纳米带的研究是当今科学技术研究的一个重要发展方向，他们将在基于石墨烯的光电器件研制方面得到广泛应用。
当前，太赫兹光电器件研究引起了人们的广泛兴趣。太赫兹电磁波在物理学、材料科学、医学成像、射电天文、雷达和宽带通信、尤其是卫星间通讯方面具有重要应用前景[B.Fergusonand X.C.Zhang,Materials for terahertz science and technology,Nature Materials1,26(2002)]。固态太赫兹振荡源和探测器是太赫兹技术应用的最关键器件，也是太赫兹技术研究领域的最前沿问题。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用。当前存在的太赫兹辐射源存在不同的应用瓶颈，限制了太赫兹技术的发展。石墨烯与太赫兹科学有着内在的必然联系，它的出现为人们开辟了一条研究新型太赫兹光电器件的途径。例如，当载流子浓度适中（109-1012cm-2）时，石墨烯内部的等离子体振荡频率就是在太赫兹频段，双原子层石墨烯或者外延生长的石墨烯可能成为半导体，其禁带宽度可以设计为0-0.3eV，正好覆盖太赫兹频段。太赫兹光谱学可以用来研究石墨烯和衬底之间的基本相互作用及其对电子输运特性的影响。
石墨烯具有很高的电子迁移率，基于石墨烯的两端器件有很短的渡越时间，因此石墨烯能够在高速和高频电子器件领域得到应用。目前，基于石墨烯的超高速电子器件包括场效应管和p-n结二极管等。最近，文献[V.Ryzhii,M.Ryzhii,and T.Otsuji,Negative dynamicconductivity of graphene with optical pumping,J.Appl.Phys.,101,083114(2007)]研究表明，在强烈的光泵浦条件下石墨烯有望实现粒子数反转，从而在太赫兹频率区域表现出绝对负电导特性。石墨烯载流子的线性能量色散关系以及零带隙特征使得石墨烯具有独特的单粒子性质和集群激发行为。文献[F.Rana,Graphene terahertz plasmon oscillators,IEEE Trans.Nanotechnol.7,91(2008)]的研究表明，等离子激元的受激辐射可以引起粒子数反转，从而在较宽的太赫兹（1-10THz）频段产生增益。他们通过研究发现，石墨烯等离子激元能够实现的太赫兹增益远远大于传统的半导体带间激光器。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，用于解决现有技术中太赫兹波器件不能有效实现太赫兹辐射、能实现的太赫兹增益较小的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，该太赫兹波产生器件包括衬底及形成于该衬底上的扶椅型石墨烯纳米带；所述衬底上、该石墨烯纳米带的两端上分别设有电极，该电极之间加有一为所述石墨烯纳米带两端提供直流偏置电压的直流电源，使得该石墨烯纳米带在该直流偏置电压下产生频率处于太赫兹频段的高频电流振荡。
可选地，所述直流电源与设置于所述石墨烯纳米带上的电极之间设有可变电阻。
可选地，所述石墨烯纳米带为单层或双层。
可选地，所述石墨烯纳米带为单层，其长度为1微米，宽度为10.10纳米，所述直流电源加在所述石墨烯纳米带两端的直流偏置电压大于或等于1.4V。
可选地，所述直流电源加在所述石墨烯纳米带两端的直流偏置电压的范围是1.4～1.6V。
可选地，所述衬底的材料为HfO2、BN或SiO2。
可选地，所述电极的材料包括Au、Ag或Al。
可选地，所述高频电流振荡的频率范围是0.252～0.315THz。
可选地，所述高频电流振荡的频率范围是0.225～0.322THz。
如上所述，本发明的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，具有以下有益效果：衬底上的石墨烯纳米带在外加偏置电压下于太赫兹频段表现出负微分特性，可以产生太赫兹波。由于石墨烯纳米带在载流子浓度适中时其内部的等离子体振荡频率就是在太赫兹频段，因此基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件在产生太赫兹波方面具有天然的优越性，能够实现较大的太赫兹增益。且石墨烯纳米带易于操纵、裁剪及容易集成，使得基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件设计的灵活性更大。
附图说明
图1显示为本发明的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件的示意图。
图2显示为本发明的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件直流电源与设置于所述石墨烯纳米带上的电极之间设有可变电阻的示意图。
图3显示为利用谱分析仪分析本发明的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件产生的电流信号的频谱特性的示意图。
图4显示为本发明的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件中石墨烯纳米带的漂移速度和微分迁移率随电场的变化关系曲线图。
图5显示为本发明的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件的电流-电压特性图。
图6显示为本发明的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件在外加直流偏置电压为V0=1.1，1.4和1.6V时的阻抗随频率的变化关系曲线图。
元件标号说明
1    衬底
2    石墨烯纳米带
3    电极
4    直流电源
5    石墨烯纳米带长度
6    石墨烯纳米带宽度
7    可变电阻
8    电感
9    电容
10   谱分析仪
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，请参阅图1，显示为本发明的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件的示意图。如图所示，所述太赫兹波产生器件包括衬底1及形成于该衬底1上的石墨烯纳米带2；所述衬底1上、该石墨烯纳米带2的两端上分别设有电极3，该电极3之间加有一为所述石墨烯纳米带2两端提供直流偏置电压的直流电源4，使得该石墨烯纳米带2在该直流偏置电压下产生频率处于太赫兹频段的高频电流振荡。
石墨烯中原子呈正六边形排布，石墨烯纳米带为条带状，有类似碳纳米管结构的量子限域效应，石墨烯纳米带根据边界条件的不同，分为扶椅型（Armchair）和锯齿型（Zigzag），其中锯齿型石墨烯纳米条带呈现金属性，扶椅型石墨烯纳米带的随着纳米带宽度的变化呈现金属或非金属性。本发明中，所述石墨烯纳米带2为扶椅型。
图1中还示出了石墨烯纳米带长度5及石墨烯纳米带宽度6。需要指出的是，此处的石墨烯纳米带长度5指的是所述石墨烯纳米带2位于所述电极3之间的有效长度。
具体的，所述衬底的材料为HfO2、BN或SiO2，需要指出的是，衬底对其上的石墨烯纳米带的性能有所影响。本实施例中所述衬底的材料优选为HfO2，可以提高其上石墨烯纳米带的漂移速度。所述电极的材料包括但不限于Au、Ag或Al。
具体的，还可以在所述直流电源1与设置于所述石墨烯纳米带上的电极3之间设置可变电阻。请参阅图2，显示为为本发明的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件直流电源与石墨烯纳米带的电极之间设有可变电阻7的示意图。所述可变电阻7起到分压的作用，可以调节所述直流电源4加在所述石墨烯纳米带2两端的直流偏置电压的大小。本发明中，所述石墨烯纳米带可以为单层或双层，在特定的条件下都可以产生太赫兹波。
在合适的直流偏置电压下，本发明的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件中将产生高频振荡电流，其频率在太赫兹频段，该高频电流信号可通过导线（例如同轴电缆线）可引出，并利用谱分析仪分析该高频电流信号的频谱特性。请参阅图3，显示为利用谱分析仪10分析电流信号的频谱特性的示意图。如图所示，电感8的作用是隔断交流信号，而电容9的作用是隔断直流，使得交流通过并到达所述谱分析仪10，从而分析产生的高频电流信号的频谱特性。
具体的，所述石墨烯纳米带2的长度大于0.5微米，宽度范围是5～15纳米。本实施例中，以长度为1微米，宽度为10.10纳米的单层扶椅型石墨烯纳米带为例进行说明。
请参阅4，显示为计算得到的长度为1微米，宽度为10.10纳米的单层扶椅型石墨烯纳米带的漂移速度和微分迁移率随电场的变化关系曲线图。从图中可看出，石墨烯纳米带的漂移速度Vd表现出负微分特性，即随着外加电场E的增加先增大，在一个临界电场Ec处达到一个峰值漂移速度Vp，此后，随着电场的增加，漂移速度降低。从图中可以得到，长度为1微米，宽度为10.10纳米的单层扶椅型石墨烯纳米带的临界电场为Ec=1.1×106V/m，峰值速度Vp=2.7×105m/s。负微分迁移率的出现主要是由于电场作用下石墨烯纳米带的光学声子发射效应和准线性色散关系引起的。
当外加偏置电压加在石墨烯纳米带的两端时，设定石墨烯工作在耗散输运区域，在较强电场作用下，其中的电子输运过程可以利用以下方程描述：（1）电流密度J＝Jc+Jd，其中传导电流Jc＝enυd，位移电流（2）电流连续性方程（3）泊松方程令
Figure BDA00003457751800055
通过求解以上方程，可以计算出器件的稳态输运性质。请参阅图5，显示为石墨烯纳米带的电流-电压特性曲线图，从图中可看出，电流密度随外加偏压的增加而增大。
在稳态特性研究的基础上，进一步研究石墨烯两端器件的高频阻抗性质。由于外加电场的频率远低于石墨烯纳米带的电子在强电场下的弛豫频率，因此可以通过高频小信号分析来进行研究。此时，外加的电压包括直流电压和高频小信号电压两部分，即
Figure BDA00003457751800056
其中，V0＞＞V1。根据线性响应分析，器件的电子浓度、电场分布和电流密度等物理量也可以相应地写成一个直流项和交流小信号项的和。这样，石墨烯纳米带中某个位置x的高频阻抗可以写成▽Z(f,x)＝δE1(x)/δJ1(x)，石墨烯纳米带的高频阻抗可以写成
Figure BDA00003457751800051
其中L为石墨烯纳米带的长度。
当设定外加直流偏置电压为V0=1.1，1.4和1.6V时，本发明的及与石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件的阻抗随频率的变化关系如图6所示。从图中可看出，在特定电压下，阻抗在某个频率窗口处为负值。这一现象表明，本发明的及与石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件可以实现该频段信号的产生。如图所示，当V0=1.4V时，对应Z(f)＜0的频率窗口为0.252～0.315THz；当V0=1.6V时，对应Z(f)＜0的频率窗口为0.225～0.322THz。而当V0=1.1V时，器件的阻抗大于0，这表明此时的器件不能将直流电场的能量转移到交流电场，不能够实现交流信号的产生或放大。
从以上结果可看出，基于长度为1微米，宽度为10.10纳米的单层扶椅型石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，所述直流电源加在该石墨烯纳米带两端的直流偏置电压大于或等于1.4V可以产生太赫兹频段的高频电流。优选的，所述直流电源加在该石墨烯纳米带两端的直流偏置电压的范围是1.4～1.6V。
以上仅以长度为1微米，宽度为10.10纳米的单层扶椅型石墨烯纳米带为例进行说明，对于其它尺寸的石墨烯纳米带，可以通过相同的方法计算出合适的直流偏置电压，也可以通过谱分析仪对输出的电流信号进行分析确定。
综上所述，本发明的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件中，石墨烯纳米带在外加偏置电压下于太赫兹频段表现出负微分特性，可以产生太赫兹波。由于石墨烯纳米带在载流子浓度适中时其内部的等离子体振荡频率就是在太赫兹频段，因此基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件在产生太赫兹波方面具有天然的优越性，能够实现较大的太赫兹增益。且石墨烯纳米带易于操纵、裁剪及容易集成，使得基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件的设计灵活性更大。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，其特征在于：该太赫兹波产生器件包括衬底及形成于该衬底上的扶椅型石墨烯纳米带；所述衬底上、该石墨烯纳米带的两端上分别设有电极，该电极之间加有一为所述石墨烯纳米带两端提供直流偏置电压的直流电源，使得该石墨烯纳米带在该直流偏置电压下产生频率处于太赫兹频段的高频电流振荡。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，其特征在于：所述直流电源与设置于所述石墨烯纳米带上的电极之间设有可变电阻。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，其特征在于：所述石墨烯纳米带为单层或双层。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，其特征在于：所述石墨烯纳米带为单层，其长度为1微米，宽度为10.10纳米，所述直流电源加在所述石墨烯纳米带两端的直流偏置电压大于或等于1.4V。
5.根据权利要求4所述的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，其特征在于：所述直流电源加在所述石墨烯纳米带两端的直流偏置电压的范围是1.4～1.6V。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，其特征在于：所述衬底的材料为HfO2、BN或SiO2。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，其特征在于：所述电极的材料包括Au、Ag或Al。
8.根据权利要求1所述的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，其特征在于：所述高频电流振荡的频率范围是0.252～0.315THz。
9.根据权利要求1所述的基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，其特征在于：所述高频电流振荡的频率范围是0.225～0.322THz。
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