CN111899911A - 一种石墨烯/金属复合导体及其制备方法和传输线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯/金属复合导体及其制备方法和传输线。上述石墨烯/金属复合导体包括：金属导体和两层侧面石墨烯层。金属导体具有两个侧面，两个侧面相对设置；每层侧面石墨烯层原位生长在金属导体的一个侧面上，每层侧面石墨烯层的厚度均为0.5μm～8μm，每层侧面石墨烯层的宽度均为0.3nm～10nm。上述石墨烯/金属复合导体能够作为传输线的导体材料，使得传输线在使用时实现阻抗可调范围为30Ω～80Ω，能够实现与器件或系统阻抗匹配动态可调。
Description
技术领域
本发明涉及通信材料技术领域，特别是涉及一种石墨烯/金属复合导体及其制备方法和传输线。
背景技术
目前，在太赫兹频段下使用的传输线存在传输线无法实现与器件或系统阻抗匹配动态调整的问题，严重影响通信系统信号传输质量。
发明内容
基于此，有必要提供一种石墨烯/金属复合导体，该复合导体能够作为传输线的导体材料，且使得传输线在太赫兹频段下使用时实现阻抗与器件或系统匹配动态可调。
此外，还提供一种石墨烯/金属复合导体和传输线。
一种石墨烯/金属复合导体，包括：
金属导体，所述金属导体具有两个侧面，所述两个侧面相对设置；及
两层侧面石墨烯层，每层所述侧面石墨烯层原位生长在所述金属导体的一个所述侧面上，每层所述侧面石墨烯层的厚度均为0.5μm～8μm，每层所述侧面石墨烯层的宽度均为0.3nm～10nm。
在其中一个实施例中，所述金属导体的材料为铜、铜合金、铝或铝合金；或者，所述金属导体包括基材及沉积在所述基材上的金单质层、银单质层或锡单质层，所述基材为铜、铜合金、铝或铝合金。
在其中一个实施例中，所述金属导体的厚度为0.5μm～8μm，所述金属导体的宽度为20μm～2mm。
在其中一个实施例中，所述金属导体还具有两个主表面，所述两个主表面相对设置，所述石墨烯/金属复合导体还包括；两层主石墨烯层，每层所述主石墨烯层原位生长在所述金属导体的一个所述主表面上，每层所述主石墨烯层的厚度均为0.3nm～10nm，两层所述主石墨烯层及所述金属导体的总厚度为0.5μm～8μm；及/或，所述金属导体的表面粗糙度小于5nm。
一种石墨烯/金属复合导体的制备方法，包括如下步骤：
提供金属导体，所述金属导体具有两个侧面，所述两个侧面相对设置；及
采用化学气相沉积的方式在所述金属导体的所述两个侧面原位生长石墨烯，得到沉积在所述金属导体的所述两个侧面的两层侧面石墨烯层，每层所述侧面石墨烯层的厚度为0.5μm～8μm，每层所述侧面石墨烯层的宽度为0.3nm～10nm。
在其中一个实施例中，所述采用化学气相沉积的方式在所述金属导体的所述两个侧面原位生长石墨烯的步骤之前，还包括对所述金属导体进行电化学抛光，控制所述金属导体的表面粗糙度小于5nm的步骤。
在其中一个实施例中，所述对所述金属导体进行电化学抛光的步骤中，采用的抛光液的配方为：每100mL水中，添加有10mL～100mL乙醇、1mL～30mL异丙醇及0.01g～5.00g尿素，并调节pH至2～6。
在其中一个实施例中，所述对金属导体进行电化学抛光的步骤中，外加电压为1V～20V，抛光时间为20s～200s。
在其中一个实施例中，所述采用化学气相沉积的方式在所述金属导体的所述两个侧面原位生长石墨烯的步骤包括：在400℃～1100℃下，调节碳源流量和还原性气体流量分别为5sccm～200sccm和1sccm～200sccm，生长压力为0.05Torr～800Torr，保温时间为2min～200min，以在所述金属导体上生长石墨烯。
在其中一个实施例中，所述碳源选自气体碳源、液体碳源及固体碳源中的至少一种，所述气体碳源选自CH4、C2H6、C2H4及C2H2中的至少一种，所述液体碳源选自CH3OH及C2H5OH中的至少一种，所述固体碳源选自葡萄糖、聚乙二醇、石蜡、硬脂酸及聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述金属导体还具有两个主表面，所述两个主表面相对设置，所述采用化学气相沉积的方式在所述金属导体的所述两个侧面原位生长石墨烯的步骤的同时，在所述金属导体的所述两个主表面上同时原位生长石墨烯，得到沉积在所述金属导体的所述两个主表面的两层主石墨烯层，每层所述主石墨烯层的厚度均为0.3nm～10nm，两层所述主石墨烯层及所述金属导体的总厚度为0.5μm～8μm。
一种传输线，包括导体，所述导体为上述的石墨烯/金属复合导体或由上述的石墨烯/金属复合导体的制备方法制备得到的石墨烯/金属复合导体。
在其中一个实施例中，所述传输线为微带线，所述传输线还包括介质板及设置在所述介质板一侧的接地金属平板，所述导体设置在所述介质板远离所述接地金属平板的一侧，所述导体为条形结构，所述金属导体的宽度为20μm～2mm，所述金属导体的厚度为0.5μm～8μm，所述介质板的厚度为10μm～800μm，所述传输线的特性阻抗为50Ω，所述导体的长度与所述介质板的长度、所述接地金属平板的长度均为0.5mm～30mm，所述介质板的宽度、所述接地金属平板的宽度均为0.1mm～12mm。
在其中一个实施例中，所述侧面石墨烯层的化学势调整区间为0eV～0.05eV。
在其中一个实施例中，所述传输线的阻抗可调范围为30Ω～80Ω。
在其中一个实施例中，所述传输线在太赫兹频段下的反射损耗值小于-15dB，插入损耗值大于-2dB。
在其中一个实施例中，所述传输线的工作频率为0.001THz～10THz。
在其中一个实施例中，所述传输线为带状线、共面波导线、同轴线或平行双导线。
上述石墨烯/金属复合导体中金属导体的每个侧面上分别原位生长有一层侧面石墨烯层，控制侧面石墨烯层的厚度、宽度，且借助在传输线结构中调整石墨烯化学势导致传输线阻抗变化的特点，可以实现传输线更大的阻抗可调范围，从而实现器件或系统阻抗匹配的动态调整。同时，相较于先形成石墨烯再与金属导体结合的其他方法，在金属导体表面原位生成的石墨烯与金属导体的结合更好，界面的良好结合可以使导体借助石墨烯的超高导电率提高其导电性，降低传输线的损耗。因此，上述石墨烯/金属复合导体能够作为传输线的导体材料，实验证明，特性阻抗为50Ω的传输线在太赫兹频段下使用时，实现阻抗可调范围为30Ω～80Ω，能够实现阻抗与器件或系统匹配动态可调。
附图说明
图1为一实施方式的石墨烯/金属复合导体的制备方法的工艺流程图；
图2为一实施方式的传输线的结构示意图；
图3为图2所示的传输线中导体的正视图；
图4为一实施方式的传输线的制备方法的工艺流程图；
图5为实施例1的石墨烯/复合导体的粗糙度测试结果图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合具体实施方式对本发明进行更全面的描述。具体实施方式中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
需要说明的是，在本文中，厚度方向指与金属导体的两个主表面垂直的方向。宽度方向指与金属导体的两个侧面垂直的方向。
一实施方式的石墨烯/金属复合导体，包括：金属导体和两层侧面石墨烯层。
其中，金属导体具有两个侧面，两个侧面相对设置。
两层侧面石墨烯层分别原位生长在金属导体的两个侧面上。具体地，每层侧面石墨烯层原位生长在金属导体的一个侧面上。每层侧面石墨烯层的厚度为0.5μm～8μm，每层侧面石墨烯层的宽度为0.3nm～10nm。
上述石墨烯/金属复合导体中金属导体的每个侧面上分别原位生长有一层侧面石墨烯层，控制侧面石墨烯层的厚度、宽度可调，且借助在传输线结构中调整石墨烯化学势导致传输线阻抗变化的特点，可以实现传输线更大的阻抗可调范围，从而实现器件或系统阻抗匹配的动态调整。同时，相较于先形成石墨烯再与金属导体结合的其他方法，在金属导体表面原位生成的石墨烯与金属导体的结合更好，界面的良好结合可以使导体借助石墨烯的超高导电率提高其导电性，使得当导体应用于传输线时，能够降低传输线的损耗。因此，上述石墨烯/金属复合导体能够作为传输线的导体材料，且使得传输线在太赫兹频段下使用时实现阻抗与器件或系统匹配动态可调。
进一步地，金属导体还具有两个主表面，两个主表面相对设置，石墨烯/金属导体复合导体还包括两层主石墨烯层，两层主石墨烯层分别原位生长在金属导体的两个主表面上。具体地，每层主石墨烯层原位生长在金属导体的一个主表面上，每层主石墨烯层的厚度均为0.3nm～10nm，两层主石墨烯层及金属导体的总厚度为0.5μm～8μm。
具体地，石墨烯/金属复合导体为条形结构，金属导体的宽度与层叠在金属导体的两个主表面上的两层主石墨烯层的宽度相同，均为20μm～2mm。需要说明的是，金属导体的宽度方向与金属导体的两个侧面垂直。
在金属导体的两个主表面进一步地原位生长两层质量高且厚度可调的主石墨烯层，借助石墨烯的超高导电率可以进一步提高复合导体的导电性，使得复合导体在应用于传输线时，能够实现大幅降低传输线损耗的目的。
具体地，金属导体的厚度为0.5μm～8μm。在其中一个实施例中，金属导体的形状为箔状或块状。例如，金属导体为铜箔。当金属导体为金属箔时，金属导体有四个侧面，只有两个与金属导体的宽度方向垂直的侧面生长有侧面石墨烯层，是因为在实际制备过程中，采用连续制备的方式，先将整个金属导体上沉积石墨烯，沉积结束后再沿金属导体的长度方向调整为合适的尺寸，因此，金属导体的与长度方向垂直的两个侧面未沉积有石墨烯。当金属导体为金属块时，金属导体的两个侧面和两个主表面均沉积有石墨烯，也可以是，金属导体的四个侧面和两个主表面均沉积有石墨烯。可以理解，在其他实施例中，金属导体还可以为金属丝，当金属导体为金属丝时，金属导体的所有表面均沉积有石墨烯，可以用于平行双导线或同轴线的传输线结构中。
其中，金属导体的材料为铜、铜合金、铝或铝合金；或者，金属导体包括基材及沉积在基材上的金单质层、银单质层或锡单质层，基材为铜、铜合金、铝或铝合金。
进一步地，金属导体的表面粗糙度小于5nm。金属导体的粗糙度低，在制备成传输线时，传输线的各处结构尺寸稳定，阻抗一致，从而改善传输线的阻抗不连续的问题，并降低反射损耗。
上述石墨烯/金属复合导体至少具有以下优点：
(1)上述石墨烯/金属复合导体中金属导体的每个侧面上分别原位生长有一层侧面石墨烯层，控制金属导体、侧面石墨烯层的厚度、宽度可调，且借助在传输线结构中调整石墨烯化学势导致传输线阻抗变化的特点，可以实现传输线更大的阻抗可调范围，从而实现器件或系统阻抗匹配的动态调整。实验证明，特性阻抗为50Ω的传输线在太赫兹频段下使用时，实现阻抗可调范围为30Ω～80Ω。同时，石墨烯具有超高导电率，在侧面上沉积有高导电的石墨烯层，借助石墨烯的超高导电率可以提高复合导体的导电性，改善性能。
(2)上述石墨烯/金属复合导体中进一步在金属导体的两个主表面上原位生长两层质量高且厚度可调的主石墨烯层，借助石墨烯的超高导电率可以进一步提高复合导体的导电性，使得复合导体在应用于传输线时，能够实现大幅降低传输线损耗的目的。实验证明，本实施方式的石墨烯/金属复合导体应用于为微带线时，微带线在太赫兹频段下的反射损耗值小于-15dB，插入损耗值大于-2dB。
(3)上述石墨烯/金属复合导体采用粗糙度小于5nm的金属导体为主体材料，而金属导体的粗糙度低，在制备成传输线时，传输线的各处结构尺寸稳定，阻抗一致，从而改善传输线的阻抗不连续的问题，并降低反射损耗。
请参阅图1，一实施方式的石墨烯/金属复合导体的制备方法，包括如下步骤：
步骤S110：提供金属导体，金属导体具有两个侧面，两个侧面相对设置。
具体地，金属导体的厚度为0.5μm～8μm。在其中一个实施例中，金属导体的形状为箔状或块状。例如，金属导体为铜箔。
其中，金属导体的材料为铜、铜合金、铝或铝合金；或者，金属导体包括基材及沉积在基材上的金单质层、银单质层或锡单质层，基材为铜、铜合金、铝或铝合金。
步骤S120：对金属导体进行电化学抛光，控制金属导体的粗糙度小于5nm。
具体地，步骤S120中，采用的抛光液的配方为：每100mL的水中，添加有10mL～100mL乙醇、1mL～30mL异丙醇及0.01g～5.00g尿素，并调节pH至2～6。其中，采用无机酸液调节pH，无机酸液为盐酸、硫酸、醋酸、磷酸或硝酸等具有酸性的无机溶液。
进一步地，步骤S120中，外加电压为1V～20V，抛光时间为20s～200s。
在其中一个实施例中，步骤S120之后，还包括：将抛光后的金属导体用去离子水和酒精冲洗以除去表面的抛光液，然后用氮气吹干。
传统降低粗糙度的方法主要有机械抛光、化学抛光、超声波抛光、磁研磨抛光和流体抛光等，但经上述方法抛光后的金属导体的粗糙度较大，多为微米级，而粗糙度较大，会造成传输线的阻抗不连续，阻抗的不连续会导致反射损耗较高。而采用电化学抛光的方式，一方面能够尽可能降低金属导体的粗糙度为纳米级，一般小于5nm，从而尽可能地避免传输线的阻抗不连续，降低反射损耗。另一方面，电化学抛光方式适合于各种形状复杂、尺寸较小的零件进行抛光，如在本实施方式中，金属导体的厚度仅为0.5μm～8μm，且表面无冷作硬化层，另外，电化学抛光方式还具有容易操作、生产效率高的优势。因此，在本实施方式中，采用电化学抛光的方式对金属导体进行抛光。
通过步骤S120，对金属导体进行电化学抛光，使得金属导体的粗糙度小于5nm。由于金属导体的粗糙度低，在制备成传输线时，传输线的各处结构尺寸稳定，阻抗一致，从而改善传输线的阻抗不连续的问题。
步骤S130：采用化学气相沉积的方式在抛光后的金属导体的两个侧面生长石墨烯，得到沉积在金属导体的两个侧面上的两层侧面石墨烯层。
每层侧面石墨烯层原位生长在金属导体的一个侧面上。每层侧面石墨烯层的厚度为0.5μm～8μm，每层侧面石墨烯层的宽度为0.3nm～10nm。
进一步地，金属导体还具有两个主表面，两个主表面相对设置，步骤S130的同时，在金属导体的两个主表面上同时原位生长石墨烯，得到沉积在金属导体的两个主表面的两层主石墨烯层，每层主石墨烯层的厚度均为0.3nm～10nm，两层主石墨烯层及金属导体的总厚度为0.5μm～8μm。
具体地，步骤S130包括：在400℃～1100℃下，调节碳源流量和还原性气体流量分别为5sccm～200sccm和1sccm～200sccm，生长压力为0.05Torr～800Torr，保温时间为2min～200min，以在金属导体上生长石墨烯。
其中，碳源选自气体碳源、液体碳源及固体碳源中的至少一种，气体碳源选自CH4、C2H6、C2H4及C2H2中的至少一种，液体碳源选自CH3OH及C2H5OH中的至少一种，固体碳源选自葡萄糖、聚乙二醇、石蜡、硬脂酸及聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。还原性气体包括氢气及一氧化碳中的一种。进一步地，碳源流量为5sccm～10sccm。还原性气体流量为100sccm～200sccm。
进一步地，步骤S130中，温度为800℃～1100℃。生长压力为0.05Torr～50Torr。保温时间为10min～30min。
在其中一个实施例中，当金属导体的材料为熔点较低的金属或合金时，如铝或铝合金，在化学气相沉积的过程中，采用等离子体辅助的方式沉积石墨烯，以降低沉积过程中的温度。
传统的石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、氧化石墨还原法、外延生长法和化学气相沉积法等。上述方法中只有化学气相沉积法能够实现石墨烯在金属导体主表面和侧面的原位生长。若先采用其他方法制备得到石墨烯，然后再与金属导体结合，金属导体与石墨烯之间的结合较差，而在金属导体主表面原位生长石墨烯，则能够使得石墨烯与金属导体的界面结合最好。本领域悉知，石墨烯与金属导体的界面结合情况对于石墨烯/金属复合导体的性能至关重要，因此，在本实施方式中，采用化学气相沉积的方式在金属导体的主表面和侧面原位生长石墨烯。
通过步骤S130，采用原位自生的方式，在金属导体的侧面直接原位生长宽度可调的石墨烯。石墨烯中每个碳原子垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子大π键，因而具有优良的导电性能，如石墨烯的载流子迁移率高达200000cm2V-1s-1，本征电导率高达108S/m，明显高于任何金属材料。利用化学气相沉积工艺，在金属导体的侧面原位生长得到的侧面石墨烯层存在宽度可控、质量高的特点，可以实现微带线更大的阻抗可调范围。另外，借助石墨烯的超高导电率，通过调控化学气相沉积工艺参数，可以制备高导电且厚度可控的表面石墨烯层，从而最大程度地利用石墨烯的超高导电率，实现大幅降低微带线损耗的目的。且以电化学抛光后的金属导体作为基底材料，通过化学气相沉积工艺在金属导体的主表面制备的主石墨烯层，能够显著降低金属导体的粗糙度，保证传输线结构尺寸稳定性，从而改善微带线阻抗不连续的问题。
上述石墨烯/金属复合导体的制备方法至少具有以下优点：
相对于传统以铜作为导体、石墨烯作为贴片的阻抗可调微带线的信号传输结构所面临的传输线阻抗不连续、微带线阻抗可调范围窄、损耗严重等难题，上述制备方法在电化学抛光处理的金属导体主表面沉积厚度可调、高导电的石墨烯薄膜，一方面能够改善微带线的阻抗连续性，另一方面借助石墨烯的超高电导率，能够显著降低微带线在太赫兹频段使用时的损耗。同时，通过化学气相沉积在金属导体侧面原位生长厚度可调、高质量的石墨烯，能够显著提高石墨烯的阻抗可调范围。最终制备得到的微带线在太赫兹频段下的反射损耗值小于-15dB，插入损耗值大于-2dB。
具体地，上述实施方式的石墨烯/金属复合导体可以由本实施方式的石墨烯/金属复合导体的制备方法制备得到。
请参阅图2，一实施方式的传输线10，包括导体100，该导体100为上述实施方式的石墨烯/金属复合导体。
在其中一个实施例中，传输线10为微带线，传输线10还包括介质板200及设置在介质板200一侧的接地金属平板300，导体100设置在介质板200远离接地金属平板300的一侧。
具体地，导体100为条形结构，导体100中，金属导体及两层主石墨烯层的宽度为20μm～2mm，金属导体及两层主石墨烯层的总厚度为0.5μm～8μm，侧面石墨烯层的宽度为0.3nm～10nm，介质板200的厚度为10μm～800μm，传输线10的特性阻抗为50Ω。通过调节上述参数，控制传输线10的特性阻抗为50Ω。在其中一个实施例中，导体100的长度与介质板200的长度、接地金属平板300的长度相同，均为0.5mm～30mm。介质板200的宽度、接地金属平板300的宽度均为0.1mm～12mm。
在其中一个实施例中，导体100设置于介质板200远离接地金属平板300的一侧表面的中间位置，导体100的长度与介质板200长边的长度相同。
在图2中，W、L和H分别表示介质板200的宽度、介质板200的长度和介质板200的厚度。W1表示侧面石墨烯层的宽度，W2表示金属导体的宽度，同时也表示每层主石墨烯层的宽度，H1表示接地金属平板300的厚度，H2表示金属导体和两层主石墨烯层的总厚度，同时也表示侧面石墨烯层的厚度。
请一并参阅图3，图3为以图2中导体100斜纹标记的一面为正面，所得到的导体100的正视图。在图3中，W1表示侧面石墨烯层130的厚度，W2表示金属导体110及主石墨烯层120的宽度，H2表示金属导体110和两层主石墨烯层120的总厚度，同时也表示侧面石墨烯层130的厚度，H3表示每层主石墨烯层120的厚度。
由于侧面石墨烯层130沉积在金属导体110的侧面上，因此，可以理解，侧面石墨烯层130的厚度与金属导体110和两层主石墨烯层120的总厚度相同。侧面石墨烯层130的宽度与每层主石墨烯层120的厚度相同，均为0.3nm～10nm。
具体地，导体100中侧面石墨烯层130的化学势调整区间为0eV～0.05eV。通过调整侧面石墨烯层130的化学势，实现传输线10在不同太赫兹频段下的阻抗可调，得到该传输线10的阻抗可调范围。具体地，导体100中侧面石墨烯层130的化学势调整区间为0eV～0.05eV时，传输线10在太赫兹频段下的阻抗可调范围为30Ω～80Ω。传输线10在太赫兹频段下的反射损耗值小于-15dB，插入损耗值大于-2dB。
在其他实施例中，传输线10还可以为包括导体100的带状线、共面波导线、同轴线或平行双导线。例如，当传输线10为平行双导线或同轴线时，石墨烯/金属复合导体中的金属导体为金属丝。当传输线10为带状线或共面波导线时，石墨烯/金属复合导体中的金属导体为金属箔或金属块。具体在实际应用中，可以根据传输线的结构选择所使用的石墨烯/金属复合导体中金属导体的形状。
具体地，传输线10的工作频率为0.001THz～10THz，即太赫兹频段。进一步地，传输线10的工作频率为0.1THz～5THz。
具体地，请参阅图4，传输线10的一种制备方法包括如下步骤：
步骤S210：提供金属导体，金属导体具有两个侧面，两个侧面相对设置。
其中，步骤S210与上述石墨烯/金属复合导体的制备方法中的步骤S110相同。
步骤S220：对金属导体进行电化学抛光，控制金属导体的粗糙度小于5nm。
其中，步骤S220与上述石墨烯/金属复合导体的制备方法中的步骤S120相同。
步骤S230：采用化学气相沉积的方式在抛光后的金属导体的两个侧面生长石墨烯，得到沉积在金属导体的两个侧面上的两层侧面石墨烯层，即得到石墨烯/金属复合导体。
其中，步骤S230与上述石墨烯/金属复合导体的制备方法中的步骤S130相同。
步骤S240：以石墨烯/金属复合导体为导体，制备传输线。
具体地，上述传输线10的制备方法中步骤S240可以为本领域常用的方法，在此不再赘述。
传统技术公开了一种基于石墨烯的可调微带线信号传输结构，包括介质板、设置在介质板上表面的一根微带线和一根石墨烯贴片、及设置于介质板下表面的金属贴片，其中：微带线与石墨烯贴片并列设置于介质板上表面的中间位置，微带线的一条长边与石墨烯贴片的一条长边连接；金属贴片覆盖介质板的下表面并形成金属地。具体特征如下：
微带线的长边的长度与介质板的长度相同，石墨烯贴片的长边的长度与介质板的长边长度相同；微带线及石墨烯贴片的厚度均相同；微带线与石墨烯贴片均为条形结构，其中微带线为金属铜片；微带线的宽度为2微米、石墨烯贴片的宽度为0.5纳米、微带线、石墨烯贴片及金属贴片的厚度均为0.5纳米；微带线、石墨烯贴片及金属贴片及介质板的长度均为60微米；介质板的厚度为1微米；介质板及金属贴片的宽度均为30微米；石墨烯贴片的化学势调整区间为0电子伏特至0.015电子伏特；微带线通过下截止频率后，当微带线的传输系数小于-3dB且反射系数大于-10dB时，微带线属于传输模式。
上述微带线在太赫兹频段使用时存在以下问题：(1)铜导体表面粗糙，在形成传输线时，结构尺寸不稳定，导致传输线阻抗不连续；(2)石墨烯贴片的厚度较薄，质量难以保证，导致微带线阻抗可调范围窄；(3)以铜作为导体材料的微带线在太赫兹频率下使用时，趋肤效应明显，导致微带线损耗严重。
而本实施方式的上述传输线10至少具有以下优点：
上述传输线10以石墨烯/金属复合导体为导体100，借助石墨烯的高导电率、阻抗可调的特性并调节金属导体的粗糙度低，使得传输线10的阻抗连续、阻抗匹配可调，实验证明，特性阻抗为50Ω的传输线在太赫兹频段下使用时，实现阻抗可调范围为30Ω～80Ω，且能够大幅降低反射损耗，微带线在太赫兹频段下的反射损耗值小于-15dB，插入损耗大于-2dB。需要说明的是，在本文中，提及损耗大小均是按其具体的值进行比较其大小，例如某传输线的插入损耗为-1.5dB，此处认为其插入损耗值为大于-2dB，对应插入损耗降低。反射损耗的大小计算同样如此。
以下为具体实施例部分：
实施例1
本实施例的传输线的制备过程具体如下：
(1)首先将购买的厚度为8μm的冷轧铜箔经电化学抛光，电化学抛光液是由100mL去离子水、10mL磷酸、20mL酒精、5mL异丙醇和1g尿素混合搅拌而成，pH为5。将需要被抛光的铜箔浸入电化学抛光液里作为阳极，另一片铜片作为阴极。一个小型直流源用来提供恒定电压/电流。外加电压为5V，抛光时间60s。然后将被拋光铜箔用去离子水和酒精冲洗以移除主表面抛光液，最后用氮气吹干。
(2)将电化学抛光后的Cu箔放置于管式炉内的，通过化学气相沉积工艺在Cu箔主表面和侧面原位生长石墨烯。具体工艺参数如下：升温至1000℃后，调节管式炉中的碳源流量和还原性气体流量分别为10sccm和100sccm，其中碳源为CH4。通过手动压力阀逐渐增加管式炉中的压力为500Torr，调节对卷速度，使石墨烯在管式炉恒温区的保温时间为60min，进行石墨烯的原位生长，得到石墨烯/铜复合导体。
(3)以(2)得到的石墨烯/铜复合导体为导体制成微带线结构的传输线。导体下方为介质板，介质板下面为接地金属平板。其中，导体中金属导体的长边的长度与介质板的长度相同，金属导体侧面生长的侧面石墨烯层的长边的长度与介质板的长边长度相同。金属导体和主石墨烯层的总厚度与侧面石墨烯层的厚度相同。金属导体及侧面的侧面石墨烯层均为条形结构，金属导体的宽度为1.4mm，侧面石墨烯层的宽度为10nm，金属导体和主石墨烯层的总厚度、侧面石墨烯层的厚度及接地金属平板的厚度均为8μm。金属导体和主石墨烯层的长度、侧面石墨烯层的长度、接地金属平板的长度及介质板的长度均为20mm。介质板的厚度为0.7mm。介质板的宽度及接地金属平板的宽度均为8mm。通过控制上述微带线相关结构参数，使其设计阻抗为50Ω。
(4)对(3)得到的微带线中石墨烯/铜复合导体侧面的侧面石墨烯层施加0eV到0.05eV的电压，实现微带线结构的阻抗在30Ω～80Ω范围可调。
(5)对(3)得到的微带线，控制石墨烯/铜复合导体的侧面石墨烯层的厚度不变，且不施加电压，改变主石墨烯层的厚度从0.3nm～10nm变化，测量微带线在不同太赫兹频段下的损耗，具体损耗数据见表3。
实施例2
本实施例的传输线的制备过程具体如下：
(1)首先将购买的厚度为1μm的冷轧铜箔经电化学抛光，电化学抛光液是由100mL去离子水、20mL盐酸、50mL酒精、5mL异丙醇和1g尿素混合搅拌而成，pH为4，将需要被抛光的铜箔浸入电化学抛光液里作为阳极，另一片铜片作为阴极。一个小型直流源用来提供恒定电压/电流。外加电压为10V，抛光时间20s。然后将被拋光铜箔用去离子水和酒精冲洗以移除主表面抛光液，最后用氮气吹干。
(2)将电化学抛光后的Cu箔放置于管式炉内的，通过化学气相沉积工艺在Cu箔主表面和侧面原位生长石墨烯。具体工艺参数如下：升温至800℃后，调节管式炉中的碳源流量和还原性气体流量分别为6sccm和200sccm，其中碳源为C2H2。通过手动压力阀逐渐增加管式炉中的压力为1Torr，调节对卷速度，使石墨烯在管式炉恒温区的保温时间为30min，进行石墨烯的原位生长，得到石墨烯/铜复合导体。
(3)以(2)得到的石墨烯/铜复合导体为导体制成微带线结构的传输线。导体下方为介质板，介质板下面为接地金属平板。其中，导体中金属导体的长边的长度与介质板的长度相同，金属导体侧面生长的侧面石墨烯层的长边的长度与介质板的长边长度相同。金属导体和主石墨烯层的总厚度与侧面石墨烯层的厚度相同。金属导体及侧面石墨烯层均为条形结构，金属导体的宽度为0.5mm，导体侧面石墨烯层的宽度为0.3nm，金属导体和主石墨烯层的总厚度及侧面石墨烯层的厚度均为1μm。金属导体和主石墨烯层的长度、侧面石墨烯层的长度、接地金属平板的长度及介质板的长度均为10mm。介质板的厚度为0.6mm。介质板的宽度及接地金属平板的宽度均为5mm。通过控制上述微带线相关结构参数，使其设计阻抗为50Ω。
(4)对(3)得到的微带线中石墨烯/铜复合导体侧面石墨烯层施加0eV到0.05eV的电压，实现微带线结构的阻抗在45Ω～70Ω范围可调。
(5)对(3)得到的微带线，控制石墨烯/铜复合导体的侧面石墨烯层的厚度不变，且不施加电压，改变主石墨烯层的厚度从0.3nm～10nm变化，测量微带线在不同太赫兹频段下的损耗，具体损耗数据见表3。
实施例3
本实施例的传输线的制备过程具体如下：
(1)将购买的厚度为8μm的Cu箔放置于管式炉内的，通过化学气相沉积工艺在Cu箔主表面和侧面原位生长石墨烯。具体工艺参数如下：升温至1000℃后，调节管式炉中的碳源流量和还原性气体流量分别为10sccm和100sccm，其中碳源为CH4。通过手动压力阀逐渐增加管式炉中的压力为500Torr，调节对卷速度，使石墨烯在管式炉恒温区的保温时间为60min，进行石墨烯的原位生长，得到石墨烯/铜复合导体。
(2)以(1)得到的石墨烯/铜复合导体为导体制成微带线结构的传输线。导体下方为介质板，介质板下面为接地金属平板。其中，导体中金属导体的长边的长度与介质板的长度相同，金属导体侧面生长的侧面石墨烯层的长边的长度与介质板的长边长度相同。金属导体和主墨烯层的总厚度与侧面石墨烯层的厚度相同。金属导体及侧面石墨烯层均为条形结构，金属导体的宽度为0.4mm，侧面石墨烯层的宽度为10nm，金属导体和主石墨烯层的总厚度及侧面石墨烯层的厚度均为8μm。金属导体和主石墨烯层的长度、侧面石墨烯层的长度、接地金属平板的长度及介质板的长度均为20mm。介质板的厚度为0.5mm。介质板的宽度及接地金属平板的宽度均为6mm。通过控制上述微带线相关结构参数，使其设计阻抗为50Ω。
(3)对(2)得到的微带线中石墨烯/铜复合导体侧面石墨烯层施加0eV到0.05eV的电压，实现微带线结构的阻抗在40Ω～75Ω范围可调。
(4)对(2)得到的微带线，控制石墨烯/铜复合导体的侧面石墨烯层的厚度不变，且不施加电压，改变主石墨烯层的厚度从0.3nm～10nm变化，测量微带线在不同太赫兹频段下的损耗，具体损耗数据见表3。
以下为测试部分：
1、采用原子力显微镜(AFM)方法对实施例1制备得到的石墨烯/铜复合导体的粗糙度进行测试，得到如图5所示。
从图5中可以看出，石墨烯/铜复合导体的粗糙度为4.9nm。
2、对实施例1和实施例3制备得到的微带线在不同频率、不同化学势下的阻抗进行测试，分别得到如下表1和表2所示的实验数据。
表1实施例1的微带线在不同频率、不同化学势下的阻抗数据
表2实施例3的微带线在不同频率、不同化学势下的阻抗数据
从上述实验数据中可以看出，实施例1的微带线的阻抗连续，且阻抗在30Ω～80Ω范围可调。实施例3的微带线的阻抗在40Ω～75Ω范围可调。
3、对实施例1～实施例3制备得到的微带线在不同频率下的损耗进行研究，得到如下表3所示的数据。具体地，控制石墨烯/铜复合导体中的侧面石墨烯层的厚度不变，且不施加电压，只改变主石墨烯层的厚度从0.3nm～10nm变化，测量微带线在不同太赫兹频段下的损耗。
表3实施例制备的微带线的损耗数据
其中，S11表示反射损耗，S12表示插入损耗。从上述表格中可以看出，实施例1和实施例2中制备得到的微带线在不同频率下的反射损耗均小于-15dB，插入损耗均大于-2dB。实施例3的微带线在不同频率下的反射损耗均小于-9dB，插入损耗均大于-4dB。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种石墨烯/金属复合导体，其特征在于，包括：
金属导体，所述金属导体具有两个侧面，所述两个侧面相对设置；及
两层侧面石墨烯层，每层所述侧面石墨烯层原位生长在所述金属导体的一个所述侧面上，每层所述侧面石墨烯层的厚度均为0.5μm～8μm，每层所述侧面石墨烯层的宽度均为0.3nm～10nm。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/金属复合导体，其特征在于，所述金属导体的材料为铜、铜合金、铝或铝合金；或者，所述金属导体包括基材及沉积在所述基材上的金单质层、银单质层或锡单质层，所述基材为铜、铜合金、铝或铝合金；或者，所述金属导体的厚度为0.5μm～8μm，所述金属导体的宽度为20μm～2mm。
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯/金属复合导体，其特征在于，所述金属导体还具有两个主表面，所述两个主表面相对设置，所述石墨烯/金属复合导体还包括；两层主石墨烯层，每层所述主石墨烯层原位生长在所述金属导体的一个所述主表面上，每层所述主石墨烯层的厚度均为0.3nm～10nm，两层所述主石墨烯层及所述金属导体的总厚度为0.5μm～8μm；及/或，所述金属导体的表面粗糙度小于5nm。
4.一种石墨烯/金属复合导体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供金属导体，所述金属导体具有两个侧面，所述两个侧面相对设置；及
采用化学气相沉积的方式在所述金属导体的所述两个侧面原位生长石墨烯，得到沉积在所述金属导体的所述两个侧面的两层侧面石墨烯层，每层所述侧面石墨烯层的厚度为0.5μm～8μm，每层所述侧面石墨烯层的宽度为0.3nm～10nm。
5.根据权利要求4所述的石墨烯/金属复合导体的制备方法，其特征在于，所述采用化学气相沉积的方式在所述金属导体的所述两个侧面原位生长石墨烯的步骤之前，还包括对所述金属导体进行电化学抛光，控制所述金属导体的表面粗糙度小于5nm的步骤；及/或，
所述采用化学气相沉积的方式在所述金属导体的所述两个侧面原位生长石墨烯的步骤包括：在400℃～1100℃下，调节碳源流量和还原性气体流量分别为5sccm～200sccm和1sccm～200sccm，生长压力为0.05Torr～800Torr，保温时间为2min～200min，以在所述金属导体上生长石墨烯。
6.根据权利要求4～5任一项所述的石墨烯/金属复合导体的制备方法，其特征在于，所述金属导体还具有两个主表面，所述两个主表面相对设置，所述采用化学气相沉积的方式在所述金属导体的所述两个侧面原位生长石墨烯的步骤的同时，在所述金属导体的所述两个主表面上同时原位生长石墨烯，得到沉积在所述金属导体的所述两个主表面的两层主石墨烯层，每层所述主石墨烯层的厚度均为0.3nm～10nm，两层所述主石墨烯层及所述金属导体的总厚度为0.5μm～8μm。
7.一种传输线，其特征在于，包括导体，所述导体为权利要求1～3任一项所述的石墨烯/金属复合导体或由权利要求4～6任一项所述的石墨烯/金属复合导体的制备方法制备得到的石墨烯/金属复合导体。
8.根据权利要求7所述的传输线，其特征在于，所述传输线为微带线，所述传输线还包括介质板及设置在所述介质板一侧的接地金属平板，所述导体设置在所述介质板远离所述接地金属平板的一侧，所述导体为条形结构，所述金属导体的宽度为20μm～2mm，所述金属导体的厚度为0.5μm～8μm，所述介质板的厚度为10μm～800μm，所述传输线的特性阻抗为50Ω，所述导体的长度与所述介质板的长度、所述接地金属平板的长度均为0.5mm～30mm，所述介质板的宽度、所述接地金属平板的宽度均为0.1mm～12mm。
9.根据权利要求7～8任一项所述的传输线，其特征在于，在所述侧面石墨烯层的化学势调整区间为0eV～0.05eV时，所述传输线的阻抗可调范围为30Ω～80Ω；及/或，
所述传输线在太赫兹频段下的反射损耗小于-15dB，插入损耗大于-2dB。
10.根据权利要求7所述的传输线，其特征在于，所述传输线的工作频率为0.001THz～10THz；及/或，所述传输线为带状线、共面波导线、同轴线或平行双导线。
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|---|---|---|---|---|
| CN113571227A (zh) * | 2021-07-28 | 2021-10-29 | 攀枝花学院 | 石墨烯金属复合导线及其制备方法 |
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| CN107394324A (zh) * | 2017-06-23 | 2017-11-24 | 深圳市景程信息科技有限公司 | 基于石墨烯的可调微带线信号传输结构 |
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