CN106646930A - 基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器 - Google Patents
基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于太赫兹波应用技术领域，提供一种基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，用以克服现有石墨烯晶体管太赫兹调制器的调制深度低及只能实现开关两个状态的缺陷；本发明太赫兹调制器采用上下对称结构，包括衬底，衬底上、下表面对称设置的石墨烯薄膜、离子胶、源电极、漏电极、栅电极，其中，所述石墨烯薄膜设置于衬底表面，所述源电极、离子胶、漏电极设置于石墨烯薄膜表面，所述栅电极设置于离子胶表面。本发明两个柔性石墨烯场效应晶体管分别设置于同一柔性衬底的两侧，能够大幅提升器件调制深度至37％以上；同时，通过级联控制能够实现对太赫兹波幅度的4级调制。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹波应用技术领域，涉及太赫兹调制器件，具体为一种基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器。
背景技术
太赫兹波(terahertz wave)是指频率为0.1～10THz、波长为30μm～3mm范围内的电磁波，其波段位于微波和红外波之间，具有独特的电磁特性，在电磁波谱中占据着重要位置。太赫兹波在生物医学诊断、无线通信、雷达成像、电子对抗、国土安全和环境监测等领域具有非常重要的应用，对国民经济以及国防建设具有重大意义。太赫兹调制器是太赫兹通信系统和雷达成像系统的一个关键核心部件，在过去十年中通过对新材料和新结构的研究已经取得了巨大的发展；这些新材料和结构包括二维电子气、人工超材料、超导材料、相变材料等。在这些研究中，基于石墨烯场效应晶体管的太赫兹波调制器受到了极大的关注；这主要是由于石墨烯晶体管具有高开关频率、极低的损耗和制备柔性器件的技术潜力。
石墨烯是一种由碳的同素异形体构成的的二维单原子层薄膜材料，具有独特的能带结构、良好的电学性能、光学性能、机械性能及热稳定性。基于石墨烯研制成功场效应晶体管器件，并成功应用为光学调制器和太赫兹波调制器。目前，石墨烯场效应晶体管太赫兹波调制器通常采用半导体硅作为衬底，以SiO2或者Al2O3来作为栅介质层，由于硅衬底厚度通常为几百微米，导致器件的插入损耗大、插损通常达到5dB以上，而且其工作电压高、限制了其开关速度；此外，基于硅衬底的石墨烯场效应晶体管太赫兹调制器无法弯曲，因此无法应用于非平面的表面。针对该问题，文献《Liu J,Li P,Chen Y,et al.Flexible terahertzmodulator based on coplanar-gate graphene field-effect transistor structure，Optics Letters，2016,41(4)》中提出了一种基于石墨烯场效应晶体管结构的柔性太赫兹波调制器，以柔性PET薄膜为衬底、离子胶为栅介质层构建了石墨烯晶体管，器件插损只有1.2dB，具有非常好的可弯曲性，并有效降低了石墨烯达到狄拉克点时的栅压，因此工作电压只有1V；这种柔性器件可以应用在飞机、雷达、光纤等有复杂表面上，因而有望成为太赫兹调制器件发展的一个重要的方向。然后，以上提到的石墨烯晶体管太赫兹调制器的的调制深度仅有20％左右，且只能实现开关两个状态，这些因素限制了该调制器在太赫兹波通信、太赫兹波探测、太赫兹波成像领域的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，用以克服现有石墨烯晶体管太赫兹调制器的调制深度低及只能实现开关两个状态的缺陷；本发明的核心是采用双层柔性石墨烯场效应晶体管结构，两个柔性石墨烯场效应晶体管分别设置于同一柔性衬底的两侧，能够大幅提升器件调制深度至37％以上；同时，通过合理控制两个柔性石墨烯场效应晶体管，能够获得多个调制状态，实现对太赫兹波幅度的多级调制，使得太赫兹调制器能够在单一信道内实现更高数据速率的传输，也可以广泛用在太赫兹成像和探测等系统中；另外，本发明调制器同样具有柔性、宽带、低插损等优点。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，其特征在于，所述太赫兹调制器采用上下对称结构，包括衬底，衬底上、下表面对称设置的石墨烯薄膜、离子胶、源电极、漏电极、栅电极，其中，所述石墨烯薄膜设置于衬底表面，所述源电极、离子胶、漏电极设置于石墨烯薄膜表面，所述栅电极设置于离子胶表面。
进一步的，所述衬底上、下表面对称设置的石墨烯薄膜采用电阻率不同的石墨烯薄膜，石墨烯薄膜为单层或者多层。
所述离子胶均为同一材料，由高氯酸锂、聚氧乙烯和甲醇混合配置而成；作为栅介质层，离子胶对太赫兹波基本透明，损耗极小。
所述衬底采用PET衬底。
所述源电极、漏电极、栅电极均采用金属，如Au、Ag、Cu、Al等，厚度为100～200nm。
上述器件的有效工作区域应大于所调制的太赫兹波波束。
从工作原理上讲：
本发明结构中，衬底是采用柔性材料PET，对太赫兹波有较好的透过性，可弯曲，并且弯曲时能够保持器件性能稳定；石墨烯作为一种半导体材料，其电阻率可通过改变栅极电压来改变，在狄拉克点附近，石墨烯的电阻率最大，此时太赫兹波的透射最强，远离狄拉克点位置，电阻率降低，透射减弱，因此通过离子胶对石墨烯施加电场，就可以调制太赫兹波的透射幅度。本发明在衬底上、下表面采用了两个不同电阻率的石墨烯薄膜，构成的石墨烯晶体管对太赫兹波具有显著不同的调制深度，能够通过单侧控制和两侧级联控制实现多级调制，分别将单侧透射最强时为Amax、Bmax，透射最小时记为Amin、Bmin，则通过排列组合，一共可实现AmaxBmax、AmaxBmin、AminBmax和AminBmin四种状态的调制，且从状态AmaxBmax到状态AminBmin相较于单侧调制时均具备更大的调制深度。
综上，本发明的有益效果在于：
1.本发明提供基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，采用上下对称结构，能够通过级联控制，实现太赫兹波幅度的4种状态以上的多级调制，因此能够在单一信道内提供更高的数据传输速率；
2.本发明提供基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，能够大大提高现有石墨烯晶体管太赫兹调制器的调制深度，能够达到37％以上，比现有石墨烯晶体管太赫兹调制器提高一倍；
3.本发明提供基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，具有很好的可弯曲特性(柔性)，能够应用于复杂的非平面表面；同时，具有插入损耗小(2dB)和宽带调制(0.2-1THz)等特性。
附图说明
图1为本发明基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器示意图(剖视图)，其中，101表示PET衬底、102A和102B表示石墨烯薄膜、103A和103B表示离子胶，104A和104B表示源电极，105A和105B表示漏电极，106A和106B表示栅电极。
图2为本发明基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器示意图的俯视图。
图3为本发明实施例所采用的单层石墨烯薄膜的Raman光谱。
图4为本发明实施例中所采用的PET衬底与普通高阻硅衬底的透射率对比图。
图5为本发明实施例中基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器在单侧分别加电压和两侧共同加栅压调制时的最大透射强度随栅压改变时的变化曲线。
图6为本发明实施例中基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器在A侧加不同栅压时的透射谱。
图7为本发明实施例中基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器在B侧加不同栅压时的透射谱。
图8为本发明实施例中基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器在两侧均加不同栅压时的透射谱。
图9为本发明实施例中所基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器在不同情况下的调制深度对比曲线图。
图10所示为实施列基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器在A面和B面通过施加级联偏压获得4级调制的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明并不局限于该实施例。
本实施例中提供基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，其结构如图1所示，包括PET衬底101，衬底上下表面依次设置石墨烯薄膜102A和102B，离子胶介质层103A和103B，源电极104A和104B，漏电极105A和105B，栅电极106A和106B；所述PET衬底，全称为聚对苯二甲酸乙二醇酯，是一种高透射柔性材料，透射率可达90％，可弯曲角度大于60°；所述石墨烯薄膜102A和102B均为单层石墨烯，电阻率分别为200Ω·cm和50Ω·cm；所述源电极104A和104B，漏电极105A和105B，栅电极106A和106B为金属Ag(200nm)；所述离子胶介质层，为一种绝缘材料，成分为LiClO4：PEO(聚氯乙烯)：甲醇＝0.07g：0.56g：10ml在一定条件下制得；所述源电极104A、漏电极105A设置在石墨烯薄膜102A上，栅电极106A设置在离子胶103A上；所述源电极104B、漏电极105B设置在石墨烯薄膜102B上，栅电极106B设置在离子胶103B上；其单侧排布方式如图2所示。
上述太赫兹波调制器的制备过程包括以下步骤：
步骤1.清洗PET衬底：将衬底依次进行超声清洗、去离子水冲洗后烘干备用；
步骤2.转移石墨烯薄膜：首先在生长有石墨烯薄膜的金属铜基底上旋涂一层PMMA，然后将金属铜基底放入氯化铁溶液中将基底腐蚀干净，再将旋涂有PMMA的石墨烯薄膜用去离子水清洗干净后转移至PET衬底上，最后采用丙酮去除石墨烯薄膜表面的PMMA，即完成石墨烯薄膜的转移；
步骤3.制备栅介质：将配制好的离子胶均匀涂覆在石墨烯表面，等自然晾干；
步骤4.制备源电极、漏电极和栅电极：用导电银胶涂覆法分别在石墨烯上制备漏电极和源电极，在离子胶上制备栅电极；
即制备得基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器。
如图3所示为实施例调制器结构中石墨烯薄膜进行的Raman光谱分析，分别在1581cm-1和2691cm-1附近出现的G峰和2D峰，2D/G＝1.7，D峰非常弱，说明该石墨烯薄膜为单层石墨烯，并且质量较高。
对上述太赫兹波调制器进行测试：
测试采用透射式太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)，太赫兹波有飞秒激光泵浦光电导天线产生，垂直入射到样品表面，透射波由光电导天线接收。
如图4所示为实施例所采用的柔性衬底与普通高阻硅的透射率对比图，可见柔性衬底的太赫兹透射率最大可提高约35％，平均损耗减小约20％。
如图5所示为实施例基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器的透射强度随栅压改变时的变化情况，结果显示A面和B面石墨烯达到狄拉克点时的栅压分别为0.5V和0.3V。
如图6和图7所示为实施例基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器转移不同电阻率的石墨烯时的透射率变化情况，结果显示电阻率较大的石墨烯有更大的调制幅度。
如图8所示为实施例基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器在级联调制时的透射率改变情况，结果显示两侧共同作用时调制器调制的幅度相对于单独一侧调制时更大，最大透射率由单侧的80％(A面)提高到85％，最小透射率由单侧的60％(B面)降低到55％。
如图9所示为实施例基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器在级联调制和单侧调制时的调制深度对比图，结果显示级联调制可使调制深度显著增加，级联调制调制深度可达到37％。大于单侧分别调制深度之和(21％+13％)。
图10所示为实施列基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器在A面和B面通过施加级联偏压获得4级调制。其中VGA＝0V和VGB＝0V时获得“00”态；VGA＝0V和VGB＝–3.0V时获得“01”态，,VGA＝–3.0V和VGB＝0V时获得“10”态，VGA＝–3.0V和VGB＝–3.0V时获得“11”态。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (5)
1.基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，其特征在于，所述太赫兹调制器采用上下对称结构，包括衬底，衬底上、下表面对称设置的石墨烯薄膜、离子胶、源电极、漏电极、栅电极，其中，所述石墨烯薄膜设置于衬底表面，所述源电极、离子胶、漏电极设置于石墨烯薄膜表面，所述栅电极设置于离子胶表面。
2.按权利要求1所述基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，其特征在于，所述衬底上、下表面对称设置的石墨烯薄膜采用电阻率不同的石墨烯薄膜。
3.按权利要求1所述基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，其特征在于，所述离子胶均为同一材料，由高氯酸锂、聚氧乙烯和甲醇混合配置而成。
4.按权利要求1所述基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，其特征在于，所述衬底采用PET衬底。
5.按权利要求1所述基于柔性石墨烯场效应晶体管结构的多级太赫兹调制器，其特征在于，所述源电极、漏电极、栅电极均采用金属，厚度为100～200nm。
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