CN106299979A - 一种基于石墨烯的太赫兹波发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯的太赫兹波发生器，包括衬底、形成于衬底上的石墨烯膜以及用于耦合太赫兹波的反谢尔宾斯基（Sierpinski）分形几何形状的太赫兹光电导天线。本发明在反分形天线的两端设有条状电极，该电极之间加有偏置电压，通过飞秒脉冲激光泵浦石墨烯膜，激发石墨烯中的电子运动，在偏置电压的作用下辐射出太赫兹波，该太赫兹波通过上述光电导天线与自由空间耦合。由于石墨烯的高电子迁移率和易于产生太赫兹波的特性，以及具有自相似特征的光电导天线的耦合作用，提高太赫兹波的发射效率、天线增益，降低天线功耗以及传播损耗，提高太赫兹波辐射功率。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹光电器件技术领域，具体是指一种自相似天线耦合的基于石墨烯的太赫兹辐射源，通过加偏置电压的同时，运用超短激光脉冲泵浦石墨烯产生辐射并由反分形太赫兹天线耦合到自由空间来实现辐射。
背景技术
太赫兹波频段处于微波和红外线之间，因其瞬态性、低能性、穿透性、高带宽以及不会产生有害生物电离的安全性等独特性能在生物分子监测、国家安全、医疗诊断，微电子无损检测、安检等领域具有广阔的应用前景。长期以来，由于一直缺乏低能耗、低噪且稳定有效的太赫兹辐射以及探测的方法，这一具有独特性能的波段一直没有得到充分的开发和利用。目前使用较多的太赫兹发射源主要是基于半绝缘体砷化镓GaAs光电导层，耦合领结形、蝶形、螺旋形等光电导天线，及在此基础上做出的相应改进。例如，专利 [CN104167656A一种太赫兹光导天线及其制作] 公开了一种经过改良的基于Si-GaAs光电导层耦合领结形天线的太赫兹辐射源。
石墨烯是近年来发现的一种新型材料，其独特的碳单层二维晶体结构使其具有许多独特的性质，是现有已知的最轻薄、最坚硬的材料，同时又拥有出色的导热导电性能。石墨烯优异的电学性能主要是基于其高载流子密度，而且在激光或电磁波的辐射下，石墨烯内部的电子迁移能形成位于太赫兹频率附近的震荡电流。这些都使得石墨烯代替GaAs光导层辐射源，产生分辨率更高、能耗更低、辐射功率更强的太赫兹辐射源成为了可能。
分形理论是上世纪末出现的一种新兴理论，自然界中很多形态都具有分形特征，例如树枝、树叶、山脉、雪花等。分形具有两大重要特征：自相似性及空间填充性（分数维）。自相似性是指适当的放大或缩小几何尺寸，几何结构并不改变，在各种尺度上都有相似程度的不规则性；分数维能够使分形在很小的体积内充分利用空间，为小型天线设计提供了方案，还使其具有颇为吸引人的多频点和宽带特性。目前采用分数维1.585的Sierpinski分形微带天线的研究很多，但是由于Sierpinski分形三角形缺失的大小不均匀性，对太赫兹的光导性能并不能得到最大的发挥。
发明内容
本发明提供了一种基于石墨烯发射源和耦合反分形天线的太赫兹辐射源发生器，能够降低功耗、提高太赫兹辐射功率，解决现有技术中不能有效稳定实现太赫兹辐射以及增益较小的问题。
一种基于石墨烯发射源和耦合反分形天线的太赫兹辐射源发生器，包括石墨烯膜和天线，天线的两端设有条状电极，电极之间加有偏置电压，通过飞秒脉冲激光泵浦石墨烯膜，激发石墨烯中的电子运动，在偏置电压的作用下辐射出太赫兹波，该太赫兹波通过光电导天线与自由空间耦合。
优选的，所述石墨烯以化学气相沉积法（CVD）制备并转移到衬底上，所述衬底包括SiO2、SiC、Si3N4、Al2O3、HfO2、Ta2O5、BN和类金刚石中的一种。
优选的，所述天线及电极材料通过光刻蚀之后用磁控溅射的方法一体成型，材料包括但不限于Au、Ag、Cr、Pt，厚度为100~300nm。
优选的，所述天线由两个Sierpinski三角形二次迭代分形的互补结构组成，相隔3-5 μm对称放置于石墨烯膜上，两个正三角顶角向外张开角度为60°，顶角部分放置在石墨烯上，使顶角连线的中心与石墨烯膜的中心重合。为使光导区域连续，分形互补结构加有正三角形外框，边长约为2~3 μm，两端电极宽约为5-10μm，长约70~80μm。
优选的，所述石墨烯膜为正方形，边长在15~20μm之间。也可以为长方形，原则是能让其上的天线与其搭接，以起到加载偏置电压以及更好耦合太赫兹波的作用。
优选的，采用脉冲激光以重复频率80MHz，脉冲宽度10fs，中心波长800nm，单脉冲能量60mW，垂直入射在天线之间的石墨烯膜上。所述直流偏置电压为0.2~1V。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
在介电材料上用石墨烯作为太赫兹发射源，充分利用了石墨烯的高电子迁移率及在激光辐射以及偏置电压的作用下易产生太赫兹波的特性，有效降低功耗、提高辐射功率。另一方面，通过Sierpinski三角分形的互补几何机构作为耦合太赫兹波的天线，利用反Sierpinski分形结构中大小均匀且尺寸小于太赫兹波长的小三角孔，使其对太赫兹波的光导作用充分提升，进一步提高增益，降低传播损耗。
本发明在较低的偏置电压及脉冲能量下，能够辐射出覆盖范围较宽的太赫兹频段。与现有技术相比，具有低功耗、工艺简单、成本低，并且有效提高了太赫兹辐射功率及天线增益，具有较高的市场化价值。
附图说明
图1为本发明的基于石墨烯的太赫兹发生器的平面图
图2为本发明的基于石墨烯的太赫兹发生器的剖面示意图
图3为太赫兹发生器发射的太赫兹频谱图
元件标号说明
1 Si基底
2 衬底
3 石墨烯膜
4 天线
5 电极
6 直流偏置电压
7 飞秒脉冲激光
具体实施方式
以下通过结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1所示，在Si基底1上生成衬底2，将石墨烯膜3转移到衬底2上，在石墨烯膜3上沉积天线4和两端的条状电极5，电极5之间加有偏置电压6，通过飞秒脉冲激光7泵浦石墨烯膜3，激发石墨烯中的电子运动，在偏置电压6的作用下辐射出太赫兹波，该太赫兹波通过天线4与自由空间耦合。
如图2所示，L1为两个Sierpinski三角形二次迭代分形的互补结构对称放置于石墨烯膜上的相隔距离，L2为石墨烯膜边长，L3为分形互补结构正三角形外框的边长，L4为两端电极宽度，L5为两电极长度。
具体实施例：一种基于石墨烯和耦合反分形天线的太赫兹发生器。
在Si基底上生成衬底，衬底材料会对石墨烯的性质有一定影响，例如，石墨烯生长在SiO2衬底上时，由于SiO2衬底的光学声子对电子的散射比石墨烯本身对电子的散射要强很多，导致其电子迁移率降低。本实施例中的衬底优选为ALD法生成的厚度为200nm的HfO2，以提高石墨烯电子迁移率。
将石墨烯膜以CVD法制备并转移到衬底上，得到厚度为2层的正方形（15×15μm）石墨烯膜。太赫兹天线和两端的条状电极通过光刻蚀一体成型后，通过磁控溅射法沉积金属（本实施例中选用厚度为100nm 的Au）在石墨烯膜上。
电极之间加有0.8V的偏置电压，采用钛宝石再生放大器以重复频率80MHz放大后获得脉宽为10fs，单脉冲能量60mW的飞秒脉冲激光，通过飞秒脉冲激光泵浦石墨烯膜，激发石墨烯中的电子运动，在偏置电压的作用下辐射出太赫兹波，该太赫兹波通过光电导天线与自由空间耦合。
天线为Sierpinski三角分形的互补几何结构，两个正三角顶角相隔5μm，向外张开角度为60°，两天线的顶角部分放置在石墨烯上，使顶角连线的中心与石墨烯膜的中心重合。为了使光导区域连续，对其加了一个2μm宽的三角框，三角形边长为52μm。而且每个镂空三角边长均缩小了1μm。如此，天线中镂空的三角形大小一致，且都小于太赫兹波的波长，可以提高其光导性能。两端电极宽10μm，长70μm。
使用太赫兹时域光谱仪对本实施例中太赫兹发生器所辐射的太赫兹电磁波进行测试，其频谱图如附图3所示。太赫兹电磁波范围是0.38~0.78THz，峰值发射频率为0.6THz。
Claims (9)
1.一种基于石墨烯的天线耦合太赫兹波发生器，其特征在于，包括：衬底、形成于衬底上的石墨烯膜、用于耦合太赫兹波的反Sierpinski分形几何形状的太赫兹光电导天线、天线两端的条状电极；电极之间加有偏置电压，通过脉冲激光泵浦石墨烯膜，激发石墨烯中的电子运动，在偏置电压的作用下辐射出太赫兹波，该太赫兹波通过天线与自由空间耦合。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波发生器的制备方法，其特征在于，所述衬底包括SiO2、SiC、Si3N4、Al2O3、HfO2、Ta2O5、BN和类金刚石中的一种。
3.根据权利要求1所述的太赫兹波发生器的制备方法，其特征在于，所述天线及其两端的电极材料包括但不限于Au、Ag、Cr、Pt，厚度为100-300nm。
4.根据权利要求1所述的太赫兹波发生器的制备方法，其特征在于，所述偏置电压为0.2~1V。
5.根据权利要求1所述的太赫兹波发生器的制备方法，其特征在于，所述天线是由两个Sierpinski三角形二次迭代分形的互补结构相隔3~5μm对称放置于石墨烯膜上组成。
6.根据权利要求1所述的太赫兹波发生器的制备方法，其特征在于，所述石墨烯膜长、宽各为15~20 μm，厚度为1~5层。
7.根据权利要求1所述的太赫兹波发生器的制备方法，其特征在于，所述天线两端的电极宽5~10 μm，长70~80 μm。
8.根据权利要求1所述的太赫兹波发生器的制备方法，其特征在于，所述脉冲激光重复频率80MHz，脉冲宽度10fs，中心波长800nm，单脉冲能量60mW，垂直入射在天线之间的石墨烯膜上。
9.根据权利要求1所述的太赫兹波发生器的制备方法，其特征在于，所述石墨烯以化学气相沉积法（CVD）制备并转移到衬底上。
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