CN108258419B - 一种基于石墨烯和二维半导体的阻抗动态连续可调的同轴馈电结构 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及动态连续可调的同轴馈电结构技术领域,具体公开了一种基于石墨烯和二维半导体的阻抗动态连续可调的同轴馈电结构。本发明提供的这种同轴馈电结构由石墨烯、二硫化钼等二维导体和二维半导体的单层、双层、或多层组成,包括中间介电结构层。所述同轴馈电结构进一步形成了二极管和场效应晶体管,其特性在于通过外加电场对同轴结构的射频阻抗实现动态连续可调、阻抗匹配、和阻抗重构的功能。

Description

一种基于石墨烯和二维半导体的阻抗动态连续可调的同轴馈 电结构
技术领域
本申请涉及动态连续可调的同轴馈电结构技术领域,尤其涉及一种基于石墨烯和二维半导体的阻抗动态连续可调的同轴馈电结构。
背景技术
石墨烯(Graphene)是一种单原子层结构超材料,具有很多优异的电、热、机械等材料特性和广阔的应用前景,特别是在电子、通讯和智能装置领域。石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料,具有独特的能带结构。理论和试验都证明可以通过外电场、掺杂等手段提高或降低石墨烯的费米能级,有效地进行石墨烯材料的电导率调控。特别是外加电压实现电导可调性的独特性能。电导可调特性在微波、毫米波、太赫兹(THz)的频段非常显著和高效,是本发明依据的石墨烯特性。
另一方面,二硫化钼等过渡金属的二维半导体成为石墨烯材料的强有力补充材料体系,具有广阔应用前途。特别是在电子器件如场效应晶体管(FET)方面,二维的二硫化钼等过渡金属是直接带隙半导体。2011年,由瑞士联邦理工学院的研究团队在《自然—纳米技术》发表文章称,用仅有0.65纳米厚的二硫化钼单层薄片制作出首批晶体管。文献报道的试验证明二硫化钼制作的场效应晶体管的开关速率已经高于每秒一百万次。更进一步地,二硫化钼单层的介电常数在1.6到2.2之间;而多层二硫化钼的介电常数也是可以控制和变化的,直到接近三维体材料的介电常数在7.2到12.8之间。二硫化钼等过渡金属的二维半导体单层、双层和多层的半导体开关特性和介电常数可调可设计特性,也是本发明依据的基础特性。
随着5G通信技术的发展和爆发,需要使用大规模智能天线。纳米材料结构的智能天线具有透明、超薄、可弯曲、可折叠、耐高温、抗腐蚀、电磁性能优越等成为这些通讯智能装置的优先选择,有巨大市场和广阔应用。因此,阻抗匹配、阻抗可调谐、天线可重构成为必然趋势。另外,现行的50欧姆标准天线阻抗,在将来纳米装置和纳米结构天线潮流到来时,高阻抗应用和匹配也成为一种可能性和趋势。例如,现在的高阻抗频率选择结构和超材料结构等。
因此,合理有效地应用石墨烯和二硫化钼等二维导体和半导体的优异性能,及其纳米材料结构,实现阻抗连续可调、动态匹配、同轴馈电、甚至高阻抗匹配是本发明的二维纳米材料同轴馈电结构解决的核心技术问题。
发明内容
本申请提供了一种基于石墨烯和二维半导体的阻抗动态连续可调的同轴馈电结构,为纳米结构天线和相控阵天线提供一种优异的馈电方法和阻抗动态匹配的解决方案。
为此,本发明提供了下述技术方案:一种基于石墨烯和二维半导体的阻抗动态连续可调的同轴馈电结构,其特征在于,所述同轴馈电结构轴芯为石墨烯层;
所述同轴馈电结构还包括与轴芯同轴的二硫化钼层;
所述石墨烯层和二硫化钼层之间还包括填充层一;
所述同轴馈电结构还包括与轴芯同轴的外壳层;所述外壳层为石墨烯层;
所述外壳层与所述二硫化钼层之间还包括填充层二;
所述轴芯和外壳层之间施加连续电压。
进一步地,所述轴芯内部填充空气或介电材料。
进一步地,所述轴芯和外壳层分别采用铜膜基体上面附着石墨烯层构成。
进一步地,所述填充层一和填充层二使用介电材料填充;所述填充层一与所述二硫化钼层共同组成同轴介电层。
本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果:
本发明提供一种二维纳米材料同轴馈电结构,由石墨烯和二维半导体的单层、双层或多层构成,包括中间介电层。本发明在于使用外加电场方式,使得石墨烯电导随外加电场变化,实现同轴结构阻抗的动态连续可调和匹配。所述同轴结构进一步形成了场效应晶体管,其特性在于通过外加电场对同轴结构的阻抗实现动态连续可调。
本发明使用外加电场方式,使得石墨烯电导随外加电场变化,实现同轴结构阻抗的动态连续可调和匹配的功能;同时,使用外加电场方式,使得二维半导体形成的场效应晶体管结构,随外加电场变化电阻和介电性能,实现同轴结构阻抗的动态连续可调、阻抗匹配、和阻抗重构的功能。
本发明进一步地提供使用二维石墨烯和二维半导体单层、双层、多层的设计同轴结构的尺寸、电阻和介电性能,实现同轴结构阻抗的大范围、宽带、和动态连续可调的匹配。进一步地通过外加电场的闭环控制,实现动态连续的随频率变化的阻抗自动匹配。
本发明所述的二维纳米材料同轴结构可嵌入于智能手机、智能眼镜、和穿戴式电子装置的壳体中,实现透明、美观、实用、高性能通讯的功能。
本发明的结构可以作为一个滤波器件,完全阻断馈电射频信号,使该同轴结构的阻抗非常大,实现对微波、毫米波、太赫兹等天线结构的阻抗重构功能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于石墨烯和二维半导体的阻抗动态连续可调的同轴馈电结构的结构示意图。
图2为本申请实施例提供的另一种同轴结构形成的二维半导体和石墨烯场效应管(FET)结构及其电压控制电流的方法。
图3为本申请实施例提供的另一种同轴结构形成的二维半导体和石墨烯场效应管(FET)结构及其电压控制电流的方法。
具体实施方式
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,示出了符合本申请的实施例,并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1的100示例一种阻抗可调的同轴馈电结构设计。101标识石墨烯层,作为同轴结构的轴芯,其内部可以是空气或介电材料。103是二硫化钼层,102和104使用介电材料填充,包括空气和高介电常数材料,与103共同组成同轴介电层。105为另一石墨烯层制成的同轴外壳。石墨烯层101、105、二硫化钼层103可由平面结构卷曲制成,也可以由其他工艺,例如打印或涂层工艺制作完成。所得结构的直径通过控制介电层结构、石墨烯层和二维半导体(例如二硫化钼)层的厚度实现。介电材料102和104可以设计和优化,以满足不同初始阻抗的要求。在同轴芯101和同轴外层105之间施加连续电压106,可以直接改变和调控石墨烯的电导、二维半导体层的电阻和介电常数也可以被这个外加静电场调控,使该同轴结构的阻抗动态连续可调和控制,实现对微波、毫米波、太赫兹等天线结构的阻抗匹配。
图2为示例图1的同轴结构形成的另一种电子器件结构。由二维半导体层(例如,二硫化钼)103、石墨烯层101和105构成场效应晶体管装置(FET),通过介电层104和引入栅极201实现电压控制电流连续的控制结构。在104介电层可引出一电极201(具体结构没有示出),相当于FET的栅极,在101石墨烯层和105石墨烯层可引出电极,相当于FET的源极和漏极。103二硫化钼构成二维半导体层。源漏电流(即101和105之间的电流)受栅源偏压,即201与101之间的电势差的调控,通过改变外加电场的大小,石墨烯的电导率会发生显著的改变,可以由此来调节石墨烯材料结构的阻抗,达到阻抗匹配的目的。进一步地,在较高电压下能够实现FET完全导通,本发明的结构可以作为一个滤波器件,完全阻断馈电射频信号,使该同轴结构的阻抗非常大,实现对微波、毫米波、太赫兹等天线结构的阻抗重构功能。
图3,示例另一种图1的同轴馈电结构设计和制作。由二维半导体层(例如,二硫化钼)103、石墨烯层101及其基体铜模302、和另一石墨烯层105及其基体铜膜303,构成场效应晶体管装置(FET)。通过介电层104和引入栅极301实现电压控制电流连续的控制结构。在104介电层可引出一电极301(具体结构没有示出),相当于FET的栅极。由于化学气相沉积(CVD)方法在铜膜上制备大面积高质量石墨烯是有效和成熟的技术,图3示例的设计利用石墨烯层101和105分别附着于铜膜基体302和303上。因此,在302铜膜和303铜膜上更易于引出电极作为FET的源极和漏极。103二硫化钼构成二维半导体层。源漏电流(即302和303之间的电流)受栅源偏压(即301与302和101之间的电势差)的调控,通过改变外加电场的大小,石墨烯的电导率会发生显著的改变。由此来调控石墨烯材料结构的阻抗,达到阻抗动态匹配的目的。铜膜层的利用使得本发明的同轴馈电结构能够更加方便地制作电极连接,例如通过焊接。更进一步地,在较高电压下实现FET完全导通,本发明的同轴馈电结构可以作为一个滤波器件,完全阻断射频馈电信号,使该同轴结构的阻抗非常大,实现对微波、毫米波、太赫兹等天线结构的阻抗重构功能。
具体地说,本发明提供的这种同轴馈电结构,由石墨烯、二硫化钼等二维导体和二维半导体的单层、双层、或多层组成,包括中间介电结构层。所述同轴馈电结构进一步形成了二极管和场效应晶体管,其特性在于通过外加电场对同轴结构的射频阻抗实现动态连续可调、阻抗匹配、和阻抗重构的功能。
同时使用外加电场方式,使得石墨烯电导随外加电场变化,实现同轴结构阻抗的动态连续可调和匹配的功能;使用外加电场方式,使得二维半导体形成的场效应晶体管结构,随外加电场变化电阻和介电性能,实现同轴结构阻抗的动态连续可调、阻抗匹配、和阻抗重构的功能。
特别地说,使用石墨烯和二维半导体单层、双层、多层,设计同轴结构的尺寸、电阻和介电性能,实现同轴结构阻抗的大范围、宽带、和动态连续可调的功能;通过外加电场的闭环控制,实现动态连续的随频率变化的阻抗自动匹配。
特别地,传输的射频信号中心频率和频段没有限制,典型频率(段)为950MHz、2GHz、2.4GHz、5.8GHz、24GHz、毫米波频段(30GHz-300GHz)、和太赫兹频段(100GHz到10THz)等。
需要说明的是,诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
应当理解的是,本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (2)

1.一种基于石墨烯和二维半导体的阻抗动态连续可调的同轴馈电结构,其特征在于,所述同轴馈电结构轴芯为石墨烯层;
所述同轴馈电结构还包括与轴芯同轴的二硫化钼层;
所述石墨烯层和二硫化钼层之间还包括填充层一;
所述同轴馈电结构还包括与轴芯同轴的外壳层;所述外壳层为石墨烯层;
所述外壳层与所述二硫化钼层之间还包括填充层二;
所述轴芯和外壳层之间施加连续电压;
所述轴芯和外壳层分别采用铜膜基体上面附着石墨烯层构成;
所述填充层一和填充层二使用介电材料填充;所述填充层一与所述二硫化钼层共同组成同轴介电层。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯和二维半导体的阻抗动态连续可调的同轴馈电结构,其特征在于,所述轴芯内部填充空气或介电材料。
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