CN104319447A

CN104319447A - 一种基于石墨烯的多层共面波导传输线及其制备方法

Info

Publication number: CN104319447A
Application number: CN201410563884.1A
Authority: CN
Inventors: 吴韵秋; 陈永堃; 徐跃杭; 唐宗熙; 张彪; 康凯; 赵晨曦
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2015-01-28

Abstract

本发明提出了一种基于石墨烯的多层共面波导传输线及其制备方法，属于通信电子元器件领域。该传输线从下往上依次为低阻导电硅衬底、SiO₂介质层、石墨烯层、Al₂O₃保护层和金属电极，所述金属电极包括中心导带和接地板，通过在所述低阻导电硅衬底上加直流偏置电压可改变石墨烯的介电性能。本发明提出的共面波导传输线可对石墨烯的介电性能进行调节，从而实现插入损耗和相位延迟的可调；采用Al₂O₃作为保护层，避免了石墨烯直接接触金属导带造成的表面污染和损伤，降低了传输线损耗，从而实现更高的偏压影响灵敏度。

Description

一种基于石墨烯的多层共面波导传输线及其制备方法

技术领域

本发明属于通信电子元器件领域，具体涉及一种基于石墨烯的多层共面波导传输线及其制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子的厚度。石墨烯自从2004年被成功制备以来，迅速成为国内外研究的热点。石墨烯是已知的最薄、最坚硬的纳米材料，比钢硬5倍；且石墨烯为零带隙半导体材料，具有独特的锥形能带结构，从而具有优异的电子特性。与传统的硅、砷化镓和其它半导体材料相比，石墨烯具有更高的载流子迁移率、电子饱和速率和热导率。由于石墨烯具有优良的电学性能和机械性能，使其成为制备高精度、小型化纳米传输线与元器件的理想材料。

目前，石墨烯传输线通常采用单层共面波导结构，将机械剥离制备的石墨烯直接加载到共面波导金属导带上[G.Deligeorgis,M.Dragoman,D.Neculoiu,D.Dragoman,G.Konstantinidis,A.Cismaru,and R.Plana.Microwave propagation in grapheme.AppliedPhysics Letters,2009,95,073107]，该结构较为成熟，但是由于石墨烯直接接触导体，导致石墨烯表面不同程度的污染和损伤，并且机械剥离制备的石墨烯形状不规则，直接加载后导致传输线端面不规则，参考面难以界定。2012年，Yunqiu Wu等提出了一种基于石墨烯的多层共面波导结构[Yunqiu Wu,Yuehang Xu,Zegao Wang,CaoXu,Zongxi Tang,Yuanfu Chen and Ruimin Xu.Microwave transmission properties ofchemical vapor deposition grapheme.Applied Physics Letters.2012,101,053110.]，从下往上依次为聚四氟乙烯、金属导带、石墨烯、二氧化硅，该结构采用石墨烯作为多层共面波导中的一层介质，通过形状调整获得规则外形，传输线端口参考面明确，并能通过改变外加偏置电压调整传输线插入损耗和相移特性。但是，由于该结构采用石墨烯倒置结构，石墨烯与导带接触时难以避免造成石墨烯的污染和损伤，并且外加偏置电压是加在中间金属导带上，会使石墨烯薄膜受偏置电压的影响不规则，导致其介电性能的改变不均匀。因此，如何使基于石墨烯的多层共面波导的石墨烯表面不受污染与损伤，维持其优良的电学性能，并且使石墨烯薄膜的介电性能得到均匀变化，成为孑待解决的关键问题。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于石墨烯的多层共面波导传输线及其制备方法，该传输线采用导电衬底作为背栅电极，采用纳米量级厚度的Al₂O₃作为石墨烯的保护层，有效避免了石墨烯直接接触金属电极导致的污染和损伤，降低了传输线损耗，实现了更高的偏压影响灵敏度；且该传输线可通过在导电衬底上加直流偏置电压对石墨烯的介电性能进行调节，实现插入损耗和相位延迟的调节。

本发明的技术方案如下：

一种基于石墨烯的多层共面波导传输线，从下往上依次为低阻导电硅衬底、SiO₂介质层、石墨烯层、Al₂O₃保护层和金属电极，所述金属电极包括中心导带和接地板。

进一步地，所述SiO₂介质层的厚度为1μm～10μm。

进一步地，所述Al₂O₃保护层的厚度为5nm～10nm。

一种上述基于石墨烯的多层共面波导传输线的使用方法，其特征在于，通过在所述低阻导电硅衬底上加直流偏置电压可改变石墨烯的介电性能。

一种基于石墨烯的多层共面波导传输线的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在低阻导电硅衬底上采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)沉积SiO₂介质层，作为多层共面波导的基础衬底；

步骤2：在步骤1得到的基础衬底上制备石墨烯层；

步骤3：在步骤2得到的带石墨烯层的基础衬底上采用原子层沉积法(ALD)沉积一层Al₂O₃作为石墨烯的保护层，即得到基于石墨烯的多层介质衬底；

步骤4：在步骤3得到的基于石墨烯的多层介质衬底上制备金属电极，即得到所述基于石墨烯的多层共面波导传输线。

其中，步骤2所述的制备石墨烯层的具体过程为：采用化学气相沉积法(CVD)在铜基上制备石墨烯，并在石墨烯上旋涂PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，然后放入Fe(NO₃)₃溶液中刻蚀掉铜，刻蚀完后取出带PMMA的石墨烯并在水中清洗；将清洗后的带PMMA的石墨烯烘干并清洗PMMA，得到的石墨烯平铺在SiO₂介质层上。

其中，步骤4所述的制备金属电极的具体过程为：用光刻胶覆盖步骤3所述基于石墨烯的多层介质衬底，光刻显影暴露出共面波导传输线中心导带和接地板的形状；然后蒸镀金属，剥离光刻胶后形成中心导带和接地板组成的金属电极。

进一步地，步骤1中所述的SiO₂介质层的厚度为1μm～10μm。

进一步地，步骤3中所述的Al₂O₃保护层的厚度为5nm～10nm。

本发明的有益效果为：

1、本发明制备的多层共面波导传输线采用低阻导电硅刚性衬底结构，可通过在低阻导电硅衬底上外加直流偏置电压调节石墨烯的介电性能，并且由于接地板与低阻导电硅衬底之间形成的电场较均匀，这样可使石墨烯的介电性能得到均匀的改变。因此，本发明提出的多层共面波导传输线可用于信号检测、无线通信设备等，并且在不同的应用环境下，可通过调节石墨烯的介电性能调整传输线的插入损耗和相移特性。

2、本发明提出的多层共面波导传输线中采用Al₂O₃作为石墨烯的保护层，避免了石墨烯直接接触金属导带造成的表面污染与损伤，降低了传输线损耗，实现了更高的偏置影响灵敏度。

附图说明

图1为本发明提出的基于石墨烯的多层共面波导传输线的剖面示意图。

图2为本发明提出的基于石墨烯的多层共面波导传输线的示意图。

图中，1为低阻导电硅衬底，2为SiO₂介质层，3为石墨烯层，4为Al₂O₃保护层，5为共面波导中心导带，6为共面波导接地板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，有必要在此指出的是所述实施例只是用于对本发明的进一步说明，但不应理解为是对本发明保护范围的任何限定，该领域的技术人员可根据上述本发明的内容作出一些非本质性的改进和调整。

实施例

一种基于石墨烯的多层共面波导传输线，从下往上依次为低阻导电硅衬底1、SiO₂介质层2、石墨烯层3、Al₂O₃保护层4和金属电极，所述金属电极包括中心导带5和接地板6；所述SiO₂介质层2采用等离子体增强化学气相沉积法制备；所述Al₂O₃保护层4采用原子层沉积法(ALD)制备。

进一步地，所述低阻导电硅衬底1的厚度为400μm；

所述SiO₂介质层2用于隔离低阻导电硅与石墨烯，使石墨烯可以感应导电硅上所加直流偏置电场，其沉积的厚度为1μm；

所述Al₂O₃保护层4用于隔离石墨烯与共面波导金属电极，避免石墨烯表面污染或损伤，其沉积的厚度为10nm；

所述共面波导中心导带5与接地板金属6由1nm厚的金属钛和10nm厚的金-铂合金组成。

上述基于石墨烯的多层共面波导传输线的使用方法，其特征在于，通过在所述低阻导电硅衬底1上加直流偏置电压可改变石墨烯的介电性能，从而改变传输线特性，应用于不同的信号检测或通信设备中。

本实施例的一种基于石墨烯的多层共面波导传输线的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在低阻导电硅衬底1上采用PECVD法沉积一层厚度为1μm的SiO₂介质层2，作为多层共面波导的基础衬底；

步骤2：在事先已在铜基片上用CVD法制备的石墨烯上旋涂电子束光胶(PMMA)，再把石墨烯放入Fe(NO₃)₃溶液中刻蚀掉铜，刻蚀完毕后带PMMA的石墨烯将浮在Fe(NO₃)₃溶液表面，此时用载玻片把带PMMA的石墨烯从Fe(NO₃)₃溶液中转移到清水里清洗干净；

步骤3：转移石墨烯：将步骤2得到的带PMMA的石墨烯从清水中捞起、烘干并清洗PMMA，得到石墨烯层，然后将石墨烯层平铺于步骤1得到的基础衬底上；

步骤4：在步骤3得到的带石墨烯层的基础衬底上采用原子层沉积法(AtomicLayer Deposition,ALD)生长一层厚度为10nm的Al₂O₃作为石墨烯的保护层，即得到基于石墨烯的多层介质衬底；

步骤5：用光刻胶覆盖步骤4所述基于石墨烯的多层介质衬底，光刻显影后暴露出共面波导传输线中心导带5和接地板6的形状，共面波导传输线中心导带5的宽度为2μm，长度为500μm；接地板6的宽度为40μm，长度为500μm；共面波导传输线中心导带5与接地板6之间的距离均为4μm；

步骤6：蒸镀金属钛和金-铂合金、剥离光刻胶，形成中心导带5和接地板6组成的金属电极，即得到所述基于石墨烯的多层共面波导传输线。

本发明实施例制备的基于石墨烯的多层共面波导传输线具有工作频率高、插入损耗和相移量调节灵敏等优点，这是由于石墨烯具有二维平面结构、场相关介电性能和高机械强度的特性。本发明制备的多层共面波导传输线采用低阻导电硅刚性衬底结构，可通过在低阻导电硅衬底上外加直流偏置电压调节石墨烯的介电性能，并且由于接地板与低阻导电硅衬底之间形成的电场较均匀，这样可使石墨烯的介电性能得到均匀的改变。因此，本发明提出的多层共面波导传输线可用于信号检测、无线通信设备等，并且在不同的应用环境下，可通过调节石墨烯的介电性能调整传输线的插入损耗和相移特性。这是由于，在理想情况下，纯石墨烯是金属半导体，电导率非常低，主要呈现介质特性，通过外加直流偏置电压可改变石墨烯的化学势能，从而改变石墨烯的载流子浓度，而载流子浓度的大小直接决定了石墨烯的电导率，因此，外加的直流偏置电压越大，导电率越高，越接近导体特性，石墨烯的介质损耗则会越大。同时该制备工艺能够使石墨烯平整、无损的转移到二氧化硅/导电硅衬底上；并且采用三氧化二铝作保护层，避免了石墨烯直接接触金属导带造成的表面污染与损伤，降低传输线损耗，从而能够实现更高的偏置影响灵敏度。

Claims

1.一种基于石墨烯的多层共面波导传输线，从下往上依次为低阻导电硅衬底、SiO₂介质层、石墨烯层、Al₂O₃保护层和金属电极，所述金属电极包括中心导带和接地板。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的多层共面波导传输线，其特征在于，所述SiO₂介质层的厚度为1μm～10μm。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的多层共面波导传输线，其特征在于，所述Al₂O₃保护层的厚度为5nm～10nm。

4.一种如权利要求1所述的基于石墨烯的多层共面波导传输线的使用方法，其特征在于，通过在所述低阻导电硅衬底上加直流偏置电压可改变石墨烯的介电性能。

5.一种基于石墨烯的多层共面波导传输线的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在低阻导电硅衬底上采用等离子体增强化学气相沉积法沉积SiO₂介质层，作为多层共面波导的基础衬底；

步骤2：在步骤1得到的基础衬底上制备石墨烯层；

步骤3：在步骤2得到的带石墨烯层的基础衬底上采用原子层沉积法沉积一层Al₂O₃作为石墨烯的保护层，得到基于石墨烯的多层介质衬底；

6.根据权利要求5所述的基于石墨烯的多层共面波导传输线的制备方法，其特征在于，步骤2所述的制备石墨烯层的具体过程为：采用化学气相沉积法在铜基上制备石墨烯，并在石墨烯上旋涂PMMA，然后放入Fe(NO₃)₃溶液中刻蚀掉铜，刻蚀完后取出带PMMA的石墨烯并在水中清洗；将清洗后的带PMMA的石墨烯烘干并清洗PMMA，得到的石墨烯平铺在SiO₂介质层上。

7.根据权利要求5所述的基于石墨烯的多层共面波导传输线的制备方法，其特征在于，步骤4所述的制备金属电极的具体过程为：用光刻胶覆盖步骤3所述基于石墨烯的多层介质衬底，光刻显影暴露出共面波导传输线中心导带和接地板的形状；然后蒸镀金属，剥离光刻胶后形成中心导带和接地板组成的金属电极。

8.根据权利要求5所述的基于石墨烯的多层共面波导传输线的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的SiO₂介质层的厚度为1μm～10μm。

9.根据权利要求5所述的基于石墨烯的多层共面波导传输线的制备方法，其特征在于，步骤3中所述的Al₂O₃保护层的厚度为5nm～10nm。