CN109856821A - 基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器及制备方法，属于太赫兹波应用技术领域。所述太赫兹波调制器自下而上依次为柔性基底、铋纳米柱、石墨烯薄膜，位于铋纳米柱之上的石墨烯薄膜因为铋纳米柱的结构作用发生褶皱，从而打开石墨烯能带，通过铋纳米柱与石墨烯两者的共同作用，在红外光激励下实现了对太赫兹波的光学调制。本发明太赫兹波调制器中，采用“PDMS/铋纳米柱/石墨烯薄膜”结构，与现有硅基器件相比，其太赫兹波透射率可达90％(硅基器件太赫兹波透射率约为60％左右)；该结构可打开石墨烯能带，大幅提高光吸收系数；通过铋纳米柱和打开能带的石墨烯共同作用，可在太赫兹波透射率较高的情况下达到20％左右的调制深度。

Description

基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器及制备方法

技术领域

本发明属于太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器及制备方法。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz区间范围内的电磁波，介于毫米波与红外光之间频谱范围的电磁波谱，其波长范围跨越高达10个数量级。如今，面对低频谱资源逐渐枯竭和无线通信对宽带需求激增矛盾的日益加剧，太赫兹波通信技术因可提供宽带频谱而成为研究热点，研究发现太赫兹波是现有无线通信频段资源日趋稀缺后的热门频段，以太赫兹波为通信载体的新一代通信系统正以其传输速率高、带宽大、抗干扰性强等优点而备受国内外相关研究单位关注，在生物医学、安检、物质探测及无线宽带通信等领域都拥有十分重要的研究价值和应用前景。其中，作为太赫兹波通信关键功能器件之一的太赫兹波信号调制器成为研究热点。

基于石墨烯的太赫兹波调制器受到了极大的关注，石墨烯是一种由碳的同素异形体构成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。研究报道的石墨烯电学输运特性，发现其载流子浓度为2×10¹¹cm^-2，迁移率超过200,000cm^-2/V·s。传统石墨烯一般用作场效应管调制器，多以氧化物作为介质层，由于工艺原因会造成薄膜表面不平整、多缺陷、多针孔，导致晶体管漏电流大，耐击穿电压比较小，调制速度与调制深度一般，并且以硅基作为衬底的石墨烯晶体管插入损耗较大，工作电压高；此外，基于硅衬底的石墨烯场效应管太赫兹波调制器无法弯曲，无法应用于非平面的表面。因此，损耗小、具有良好可弯曲性、工作电压低并且可以使用光调控的太赫兹波调制器有望发展为一个重要的方向，使其可应用在非平面场景，以及实现可穿戴功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单、损耗较小、具有良好弯曲性、可实现空间光调控和电调控的太赫兹波调制器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器，其特征在于，所述太赫兹波调制器自下而上依次为柔性基底、铋纳米柱、石墨烯薄膜，位于铋纳米柱之上的石墨烯薄膜因为铋纳米柱的结构作用发生褶皱，从而打开石墨烯能带，通过铋纳米柱与石墨烯两者的共同作用，在红外光激励下实现了对太赫兹波的光学调制。

进一步地，所述基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器中，在石墨烯薄膜上还可形成电极层，电压可精确控制石墨烯薄膜的载流子浓度，进而通过电压变化实现太赫兹波的电学调制。

进一步地，所述基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器中，在石墨烯薄膜上还可形成电极层，在柔性基底背面形成环形栅电极，构成场效应器件，通过栅压变化来实现太赫兹波的电学调制。

进一步地，所述柔性基底选取对太赫兹波损耗较低的材料，具体为PDMS、PVA、PET、PEN等，所述柔性基底的厚度为0.1～1mm。

进一步地，所述铋纳米柱的高度为50～200nm，铋纳米柱直径为200～500nm。

进一步地，所述铋纳米柱采用常规磁控溅射法制备得到，铋靶纯度为99.999％。

进一步地，所述单层石墨烯薄膜采用CVD法制备，电阻率为100-3000Ω/cm²；石墨烯薄膜尺寸根据实际需求选择，采用湿法转移工艺转移至铋纳米柱之上。

进一步地，所述电极层为条形电极，采用金、银、铜或镍等金属，厚度为50～200nm。

本发明的另一目的在于提供一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、选择单晶硅基片，将基片先在体积比为1：1的浓硫酸与双氧水的混合液中清洗15～30min，再依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗10～25min，氮气吹干，得到表面洁净度高的硅基片；

步骤2、在步骤1清洗干净的基片上采用磁控溅射法生长铋纳米柱；

2.1将步骤1清洗干净的硅基片放入磁控溅射腔室内，在10^-5Pa量级的背底真空环境下，以5～30sccm的流量将氩气通入真空室，待气压稳定后，工作气压为0.1～0.5Pa，基片温度为50～150℃；

2.2打开磁控溅射电源，以5～20W的直流功率进行铋金属靶材的溅射；

2.3打开铋金属靶材的挡板，匀速旋转生长铋，生长完成后，关闭铋金属靶材的挡板和溅射电源，即可在硅基片上形成铋纳米柱结构；

步骤3、铋纳米柱的剥离：

3.1将道康宁184按照基本组分与固化剂重量比为10：1的比例混合，在0.1～1Pa的真空环境下去除气泡，得到旋涂液；

3.2采用旋涂法，将步骤3.1配制的旋涂液均匀涂覆至步骤2得到的带铋纳米柱的硅基片上，旋涂转速为500-1000r/min；

3.3涂覆完成后，在100～150℃的加热台上固化30～60min，然后将柔性材料从硅基片上剥离，即可得到带铋纳米柱的PDMS；

步骤4、转移石墨烯薄膜：

将CVD法得到的带石墨烯薄膜的铜基底剪裁为5×5mm²～10×10mm²大小，在生长有石墨烯薄膜的一面旋涂一层PMMA，然后放入1mol/L的FeCl₃溶液中腐蚀铜基底，腐蚀完成后，将带石墨烯薄膜的PMMA采用去离子水冲洗数次，并转移至步骤3得到的铋纳米柱上，最后使用丙酮去除石墨烯薄膜表面的PMMA，完成石墨烯薄膜的转移；

步骤5、电极层的制备：采用磁控溅射法在步骤4得到的石墨烯薄膜上形成一对条形金属电极，厚度为50～200nm，即可得到所述太赫兹波调制器。

本发明提供的一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器中，采用的柔性基底可大幅减小太赫兹波插入损耗；铋纳米柱结构与薄膜结构相比，增大了与光的接触表面积，且可吸收反射光，有效提升了对红外光的吸收和响应；设置于铋纳米柱上的单层石墨烯薄膜会发生褶皱，在应力作用下打开能带，进一步地提高了光吸收系数；通过铋纳米柱与石墨烯两者的共同作用，在红外光激励下实现了对太赫兹波的光学调制。

铋纳米柱和打开能带的单层石墨烯薄膜，及在石墨烯薄膜上制备的两个金属电极，构成两端异质结器件，石墨烯薄膜由于能带被打开，因此，可通过电压精确控制其载流子浓度，通过电压变化实现太赫兹波电学调制。

此外，本发明提供的一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器中，采用的柔性基底PDMS具有良好的介电特性，还可在器件的柔性基底背面制备环形栅电极，环形栅极中间部分通过太赫兹波，由此构成场效应器件，通过栅压变化来实现太赫兹波的电学调制。

在调制过程中，太赫兹波均从石墨烯薄膜一侧垂直入射，探测器在柔性基底背面接收；光学调制时，红外光以一定角度(45°角)入射到石墨烯薄膜一侧，电学调制通过外加电压实现。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器中，采用“PDMS/铋纳米柱/石墨烯薄膜”结构，与现有硅基器件相比，其太赫兹波透射率可达90％(硅基器件太赫兹波透射率约为60％左右)；该结构可打开石墨烯能带，大幅提高光吸收系数；通过铋纳米柱和打开能带的石墨烯共同作用，可在太赫兹波透射率较高的情况下达到20％左右的调制深度。

2、本发明提供的一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器，结构简单，易于制备，相比现有单一功能太赫兹波调制器，该器件既可采用红外光实现太赫兹波的光学调制，又可采用电压调制实现太赫兹波的电学调制，或根据应用场景同时采用红外光和电压共同调制。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器的结构示意图；其中，1为柔性基底，2和5为金属电极，3为石墨烯薄膜，4为铋纳米柱；

图2为本发明实施例中，在硅基片上制备的铋纳米柱结构的原子力显微镜图；

图3为本发明实施例1得到的太赫兹波调制器在808nm红外光不同功率调制下，太赫兹波的透射率曲线。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器，包括柔性基底、形成于柔性基底之上的铋纳米柱和形成于铋纳米柱之上的石墨烯薄膜；该太赫兹波调制器可实现光调制，使用808nm红外光调制太赫兹波。该太赫兹波调制器通过铋纳米柱增大与光的接触面积，从而提升对红外波段的响应；设置于铋纳米柱上的单层石墨烯薄膜会发生褶皱，在应力作用下打开能带，进一步提高了光吸收系数；红外光从石墨烯薄膜一侧倾斜照射到器件表面，太赫兹波从石墨烯薄膜一侧垂直入射，从而实现光调制。

上述太赫兹波调制器采用以下步骤制备得到：

步骤1、选择单晶硅基片，将基片先在体积比为1：1的浓硫酸与双氧水的混合液中清洗15min，再依次分别在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗10min，氮气吹干，得到表面洁净度高的硅基片；

步骤2、在步骤1清洗干净的基片上采用磁控溅射法生长铋纳米柱；

2.1将步骤1清洗干净的硅基片放入磁控溅射腔室内，在10^-5Pa量级的背底真空环境下，以15sccm的流量将氩气通入真空室，待气压稳定后，工作气压为0.3Pa，基片温度为100℃；

2.2打开磁控溅射电源，以5W的直流功率进行铋金属靶材的溅射；

2.3打开铋金属靶材的挡板，匀速旋转生长铋，生长200s后，关闭铋金属靶材的挡板和溅射电源，即可在硅基片上形成120nm铋纳米柱结构；

步骤3、铋纳米柱的剥离：

3.1将道康宁184按照基本组分与固化剂重量比为10：1的比例混合，在0.1Pa的真空环境下去除气泡，得到旋涂液；

3.2采用旋涂法，将步骤3.1配制的旋涂液均匀涂覆至步骤2得到的带铋纳米柱的硅基片上，旋涂转速为500r/min，厚度为500μm；

3.3涂覆完成后，在120℃的加热台上固化30min，然后将柔性材料从硅基片上剥离，即可得到带铋纳米柱的PDMS；

步骤4、转移石墨烯薄膜：

将CVD法得到的带石墨烯薄膜的铜基底剪裁为5×5mm²大小，在生长有石墨烯薄膜的一面旋涂一层PMMA，然后放入1mol/L的FeCl₃溶液中腐蚀铜基底，腐蚀完成后，将带石墨烯薄膜的PMMA采用去离子水冲洗3次，并转移至步骤3得到的铋纳米柱上，最后使用丙酮去除石墨烯薄膜表面的PMMA，完成石墨烯薄膜的转移。

图3为本发明实施例1得到的太赫兹波调制器在808nm红外光不同功率调制下，太赫兹波的透射率曲线；由图3可知，在不施加激光时，太赫兹波透射率可达90％左右，随着激光功率增加，调制器对太赫兹波的衰减逐渐增强，透射率逐渐下降，在1.2W激光作用下调制深度可以达到20％。

实施例2

本实施例与实施例1相比，区别在于：在实施例1基础上，在石墨烯薄膜上制备一对条状Au电极，电极采用磁控溅射法制备，厚度为100nm，以此制备两端异质结器件，通过电压实现太赫兹波调制；其余制备方法与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1相比，区别在于：在实施例1基础上，在石墨烯薄膜上制备一对条状Au电极，在柔性基底背面制备Au环形栅电极，电极采用磁控溅射法制备，厚度为100nm，以此制备三端场效应管器件，通过栅电压实现太赫兹波调制；其余制备方法与实施例1相同。

Claims (7)

1.一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器，其特征在于，所述太赫兹波调制器自下而上依次为柔性基底、铋纳米柱、石墨烯薄膜，在红外光激励下实现了对太赫兹波的光学调制。

2.根据权利要求1所述的基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器，其特征在于，所述石墨烯薄膜上形成电极层，进而通过电压变化实现太赫兹波的电学调制。

3.根据权利要求1所述的基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器，其特征在于，所述石墨烯薄膜上形成电极层，所述柔性基底背面形成环形栅电极，构成场效应器件，通过栅压变化来实现太赫兹波的电学调制。

4.根据权利要求1所述的基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器，其特征在于，所述柔性基底为PDMS、PVA、PET或PEN，厚度为0.1～1mm。

5.根据权利要求1所述的基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器，其特征在于，所述铋纳米柱的高度为50～200nm，直径为200～500nm。

6.根据权利要求1所述的基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器，其特征在于，所述电极层为条形电极，采用金、银、铜或镍，厚度为50～200nm。

7.一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、清洗基片；

步骤2、在步骤1清洗干净的基片上采用磁控溅射法生长铋纳米柱；

2.1将步骤1清洗干净的基片放入磁控溅射腔室内，在10^-5Pa量级的背底真空环境下，以5～30sccm的流量将氩气通入真空室，待气压稳定后，工作气压为0.1～0.5Pa，基片温度为50～150℃；

2.2打开磁控溅射电源，以5～20W的直流功率进行铋金属靶材的溅射；

2.3打开铋金属靶材的挡板，匀速旋转生长铋，生长完成后，关闭铋金属靶材的挡板和溅射电源，即可在硅基片上形成铋纳米柱结构；

步骤3、铋纳米柱的剥离：

3.1采用旋涂法，将PDMS旋涂液均匀涂覆至步骤2得到的带铋纳米柱的硅基片上，旋涂转速为500～1000r/min；

3.2涂覆完成后，在100～150℃的加热台上固化30～60min，然后将柔性材料从基片上剥离，即可得到带铋纳米柱的PDMS；

步骤4、转移石墨烯薄膜：

将CVD法得到的石墨烯薄膜转移至步骤3得到的铋纳米柱上。