CN104466618A - 石墨烯激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯激光器，包括：第一金属板、布置在第一金属板上的第一介质层、形成在第一介质层的部分表面上的第一石墨烯层、形成在第一石墨烯层表面上的势垒层、分别邻接地形成在势垒层两侧的第一金属电极和第二金属电极、形成在势垒层的部分表面上的第二石墨烯层、形成在第二石墨烯层上的第二介质层、以及形成在第二介质层上的第二金属板；其中，第一金属电极接触第一石墨烯层而不接触第二石墨烯层；而且优选地，第二金属电极接触第二石墨烯层而不接触第一金属电极。

Description

石墨烯激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光器应用领域，具体涉及一种基于双层石墨烯结构的太赫兹激光器设计；而且更具体地说，本发明涉及一种石墨烯激光器。
背景技术
近年来，太赫兹技术获得了长足进步，在太赫兹通信、医学成像、太赫兹雷达等领域拥有良好的应用前景。在所有太赫兹技术中，基于半导体尤其是三五族化合物半导体的太赫兹激光器和探测器因为具有体积小、结构紧凑、易于集成等优点受到广泛关注。但由于三五族化合物半导体中电子与声子，尤其是声学声子间的相互作用，使得该类激光器难以在室温条件下工作，限制了应用范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能够满足太赫兹半导体激光器室温工作应用的需求，提供一种基于双层石墨烯结构实现太赫兹波激射的技术方案。
为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种石墨烯激光器，包括：第一金属板、布置在第一金属板上的第一介质层、形成在第一介质层的部分表面上的第一石墨烯层、形成在第一石墨烯层表面上的势垒层、分别邻接地形成在势垒层两侧的第一金属电极和第二金属电极、形成在势垒层的部分表面上的第二石墨烯层、形成在第二石墨烯层上的第二介质层、以及形成在第二介质层上的第二金属板；其中，第一金属电极接触第一石墨烯层而不接触第二石墨烯层；而且优选地，第二金属电极接触第二石墨烯层而不接触第一金属电极。
优选地，第一金属电极、第二金属电极、第一金属板、第二金属板上分别加有第一正偏置电压、第一负偏置电压、第二正偏置电压、第二负偏置电压，以便在第一石墨烯层内形成二维空穴气，在第二石墨烯层内形成二维电子气。
优选地，第一正偏置电压和第一负偏置电压的电压值的绝对值相等。
优选地，第二正偏置电压和第二负偏置电压的电压值的绝对值相等。
优选地，第一金属电极和第二金属电极与势垒层处于同一层；而且第一金属电极的下表面接触第一石墨烯层而不接触第二石墨烯层，第二金属电极的上表面接触第二石墨烯层而不接触第一金属电极。
优选地，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间的势垒层的厚度介于1至500纳米之间。
优选地，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间的势垒层的厚度介于3至300纳米之间。
优选地，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间的势垒层的厚度介于3至100纳米之间。
优选地，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间的势垒层的厚度介于5至50纳米之间。
优选地，第一介质层和第二介质层的厚度介于5至50微米之间。
本发明采用双层石墨烯来代替传统的三五族化合物半导体材料构成有源区，容易达成粒子数反转条件，伴随电子共振隧穿的电磁波激射受温度影响小，因此基于本发明的太赫兹激光器，具有结构简单、易集成、激射频率电压控制、室温工作等特点。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的石墨烯激光器的结构示意图。
附图标记说明：G1为第一石墨烯层、G2为第二石墨烯层、E1为第一金属电极、E2为第二金属电极、B为势垒层、C1为第一介质层、C2为第二介质层、M1为第一金属板、M2为第二金属板。
需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
具体实施方式
为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
具有优异光电性能的石墨烯吸引着越来越多学术界和工业界的关注，并且在超高频、超高速晶体管和太阳能电池等诸多领域有着广泛应用。石墨烯是一种由单原子层构成的二维材料，它的等离子频率比一般金属材料要低得多，正好处在太赫兹范围，因此石墨烯是太赫兹激光器探测器的合适材料。
本发明采用采用双层石墨烯来代替传统的三五族化合物半导体材料构成有源区，容易达成粒子数反转条件从而实现石墨烯层间粒子数反转，伴随电子共振隧穿的电磁波激射受温度影响小，具有良好的室温工作前景。其中，本发明利用双层石墨烯分别形成二维电子气和二维空穴气，实现层间粒子数反转，电子在层间伴随共振隧穿激射太赫兹光子，由此利用光子辅助层间电子共振隧穿原理实现太赫兹激光功能。
图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的石墨烯激光器的结构示意图。
如图1所示，根据本发明优选实施例的石墨烯激光器包括：第一金属板M1、布置在第一金属板M1上的第一介质层C1、形成在第一介质层C1的部分表面上的第一石墨烯层G1、形成在第一石墨烯层G1表面上的势垒层B、分别邻接地形成在势垒层B两侧的第一金属电极E1和第二金属电极E2、形成在势垒层B的部分表面上的第二石墨烯层G2、形成在第二石墨烯层G2上的第二介质层C2、以及形成在第二介质层C2上的第二金属板M2。
其中，第一金属电极E1和第二金属电极E2与势垒层B处于同一层。
如图1所示，优选地，第一金属电极E1(例如，第一金属电极E1的下表面)接触第一石墨烯层G1而不接触第二石墨烯层G2；而且优选地，第二金属电极E2(例如，第二金属电极E2的上表面)接触第二石墨烯层G2而不接触第一金属电极E1。
其中，第一金属电极E1、第二金属电极E2、第一金属板M1、第二金属板M2上分别加有第一正偏置电压V、第一负偏置电压-V、第二正偏置电压Vg、第二负偏置电压-Vg，由此在第一石墨烯层G1内形成二维空穴气，在第二石墨烯层G2内形成二维电子气。
优选地，第一正偏置电压V和第一负偏置电压-V的电压值的绝对值相等；优选地，第二正偏置电压Vg和第二负偏置电压-Vg的电压值的绝对值相等。由此可以简化控制操作，并且提高控制灵活性。
第一正偏置电压V和第一负偏置电压-V的电压值的绝对值(即，偏压V)控制石墨烯内费米能级的变化，而第二正偏置电压Vg和第二负偏置电压-Vg的电压值的绝对值(即，偏压Vg)则决定着两层石墨烯狄拉克点能差大小，进而决定着激射太赫兹波的频率大小。
优选地，作为隧穿势垒的材料，第一石墨烯层G1和第二石墨烯层G2之间的势垒层B的厚度为几个纳米，例如介于1至500纳米之间，优选地介于3至300纳米之间，更优选地介于3至100纳米之间，进一步优选地介于5至50纳米之间。
优选地，第一介质层C1和第二介质层C2的厚度为几个微米，例如介于1至100微米之间，优选地介于5至50微米之间。
在具体实施例中，有源区中的势垒层B和波导中的第一介质层C1和第二介质层C2的材质可以为hBN等；而且，在具体实施例中，第一金属板M1和第二金属板M2的材质可以为铜等金属。
可以看出，在本发明中，双层石墨烯相隔几个纳米，中间有作为隧穿势垒的材料，各层石墨烯分别只与一端电极连接；在双层石墨烯外部分别包裹一层厚介质材料和最外部覆上金属一同构成“金属-介质-有源区-介质-金属波导”结构；在两端电极上加上偏压可以使得一层石墨烯形成二维电子气，另一层形成二维空穴气，而在构成波导金属上极性不同偏压不仅可以强化这种粒子数反转，还能改变两层石墨烯狄拉克点能差，决定太赫兹波激射频率。
具体地说，在本发明中，激光器的有源区由双层石墨烯和中间作为势垒的介质构成，有源区外的波导层由两个介质层和最外层的金属板共同构成；在电极上加上偏压后在有源区内形成电场，该电场会改变石墨烯内电子空穴分布。由于两层石墨烯各自仅与一个电极接触，而与另一个电极电学上是断开的，因此偏置电场使得一层石墨烯内费米能级抬高，而另一层内费米能级降低，即一层石墨烯形成二维电子气，另一层形成二维空穴气，实现了层间粒子数反转，满足电磁波激射条件。在构成波导的两层金属带上加上极性不同偏压，由于耗尽作用可以强化这种粒子数反转，同时还改变了两层石墨烯狄拉克点能差。正常工作时，形成二维电子气的一层石墨烯内的电子由于共振隧穿作用穿过势垒到达另一层石墨烯，为满足能量守恒和动量守恒条件，共振隧穿将伴随辐射一个光子，这个光子的频率主要有两层石墨烯的狄拉克点能差决定，也就是说，激射频率可以由电压来控制。
由此，本发明采用双层石墨烯来代替传统的三五族化合物半导体材料构成有源区，容易达成粒子数反转条件，伴随电子共振隧穿的电磁波激射受温度影响小，因此基于本发明的太赫兹激光器，具有结构简单、易集成、激射频率电压控制、室温工作等特点。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种石墨烯激光器，其特征在于包括：第一金属板、布置在第一金属板上的第一介质层、形成在第一介质层的部分表面上的第一石墨烯层、形成在第一石墨烯层表面上的势垒层、分别邻接地形成在势垒层两侧的第一金属电极和第二金属电极、形成在势垒层的部分表面上的第二石墨烯层、形成在第二石墨烯层上的第二介质层、以及形成在第二介质层上的第二金属板；其中，第一金属电极接触第一石墨烯层而不接触第二石墨烯层；而且优选地，第二金属电极接触第二石墨烯层而不接触第一金属电极。
2.根据权利要求1所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一金属电极、第二金属电极、第一金属板、第二金属板上分别加有第一正偏置电压、第一负偏置电压、第二正偏置电压、第二负偏置电压，以便在第一石墨烯层内形成二维空穴气，在第二石墨烯层内形成二维电子气。
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一正偏置电压和第一负偏置电压的电压值的绝对值相等。
4.根据权利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第二正偏置电压和第二负偏置电压的电压值的绝对值相等。
5.根据权利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一金属电极和第二金属电极与势垒层处于同一层；而且第一金属电极的下表面接触第一石墨烯层而不接触第二石墨烯层，第二金属电极的上表面接触第二石墨烯层而不接触第一金属电极。
6.根据权利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间的势垒层的厚度介于1至500纳米之间。
7.根据权利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间的势垒层的厚度介于3至300纳米之间。
8.根据权利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间的势垒层的厚度介于3至100纳米之间。
9.根据权利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一石墨烯层和第二石墨烯层之间的势垒层的厚度介于5至50纳米之间。
10.根据权利要求1或2所述的石墨烯激光器，其特征在于，第一介质层和第二介质层的厚度介于5至50微米之间。
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