CN114679152A - 动态可调的石墨烯声子波导及方法 - Google Patents

动态可调的石墨烯声子波导及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种动态可调的石墨烯声子波导及制备方法和工作方法，包括衬底上周期性排列的电极、石墨烯悬浮凹槽及悬浮于其上的石墨烯薄膜。向栅极施加直流电压，对石墨烯产生静电力，从而调节石墨烯的弹簧常数，使其谐振模式被调控，实现静电感应声子晶体。每个石墨烯声子波导单元可被其对应的栅极独立调节，从而改变相应声子色散关系，调整能带结构，使声子带隙被动态调控。相比于其他声子波导装置，本发明所述石墨烯声子波导可灵活动态调节，有望在信号处理、波形工程、噪声防治等领域中有重要应用。

Description

动态可调的石墨烯声子波导及方法
技术领域
本发明涉及到石墨烯波导的设计及制备、信号处理、波形工程、噪声防治等技术领域，具体为一种动态可调的石墨烯声子波导。
背景技术
在声学领域，具有周期性属性的声子波导，作为一种呈带隙特性的结构，在信号处理、波形工程、噪声防治等技术领域中有重要的应用。为了进一步改善声子波导这类设备的性能，研究人员着手于设计开发动态声子波导。这些声子波导在外界物理因素的驱动下，其频率透过范围被动态调节。在现有技术中，部分可调声子波导仍较依赖于其本身结构参数，带隙调节受限。本发明提供一种动态可调的石墨烯声子波导，实现静电感应声子晶体。石墨烯作为一种具有优良电学、光学及机械特性的二维材料，有广泛的应用前景。基于石墨烯制备的声子晶体尺寸小，质量轻，制备工艺简单，石墨烯薄膜悬浮于衬底的周期性排列的电极上，包括栅极和源漏接触电极。向栅极电极施加直流电压，对石墨烯产生静电力，从而调节石墨烯的弹簧常数，使其谐振模式被调控，实现静电感应声子晶体。石墨烯声子波导的每一部分可被其对应的栅极独立调节，从而改变相应声子色散关系，调整能带结构，使声子带隙被动态调控。
发明内容
鉴于现有技术的不足之处，本发明旨在提供一种动态可调的石墨烯声子波导及工作方法和制备方法：
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种动态可调的石墨烯声子波导，包括衬底，衬底上设有石墨烯悬浮凹槽3，石墨烯薄膜的两端沿横向搭接在衬底上，石墨烯薄膜中部位于石墨烯悬浮凹槽3上方的部分与石墨烯悬浮凹槽3之间形成悬浮；
多个纵向延伸的栅极在横向上周期性平行排列形成栅极阵列；横向上相邻的栅极1之间设置一源漏接触电极2，石墨烯悬浮凹槽3内不设置源漏接触电极2；
向栅极1施加直流电压，产生不均匀电场，感应出偶极矩，继而产生使石墨烯悬浮凹槽3上方的石墨烯薄膜向石墨烯悬浮凹槽3靠近的作用力形成静电拉伸，驱动石墨烯薄膜振动，谐振频率被电压调控；一根栅极1和悬浮于其上方的石墨烯薄膜构成一个石墨烯声子波导单元；每个石墨烯声子波导单元可被其对应的栅极独立调节，从而改变相应声子色散关系，调整能带结构，使声子带隙被动态调控。
作为优选方式，通过紫外光刻和等离子体刻蚀得到栅极沟道结构和石墨烯悬浮凹槽3；通过电子束蒸镀得到栅极1。
作为优选方式，经过两次紫外光刻工艺，得到栅极和源漏接触电极图案，后经一次电子束蒸镀工艺得到栅极和源漏接触电极。
本发明还提供一种所述动态可调的石墨烯声子波导的工作方法，其为：向石墨烯声子波导的栅极施加直流电压，产生不均匀电场，感应出偶极矩，继而产生使石墨烯悬浮凹槽3上方的石墨烯薄膜向石墨烯悬浮凹槽3靠近的作用力形成静电拉伸，驱动石墨烯薄膜振动，谐振频率被电压调控；每个石墨烯声子波导单元可被其对应的栅极独立调节，从而改变相应声子色散关系，调整能带结构，使声子带隙被动态调控。
本发明还提供一种所述动态可调的石墨烯声子波导的制备方法，包括如下步骤：
(1)图案化衬底的制备：
(1.1)一次光刻：将涂胶后的基片置于光刻机样品台上进行曝光，将曝光完毕的基片显影、定影、坚膜，得到栅极沟道和石墨烯悬浮凹槽图案；
(1.2)等离子体刻蚀：将坚膜后的基片置于电感耦合等离子光谱发生仪中，得到栅极沟道结构和石墨烯悬浮凹槽结构；
(1.3)二次光刻：将涂胶后的基片置于光刻机样品台上进行曝光，将曝光完毕的基片显影、定影、坚膜，得到源漏接触电极图案；
(1.4)电子束蒸镀：将基片置于装载板，放入电子束蒸发镀膜机中进行镀膜工艺，得到栅极1和源漏接触电极2；
(1.5)将制备完成的衬底进行漏电测试，
(2)石墨烯的转移：
选择栅极与源漏接触电极未接通的基片进行石墨烯材料转移；
将石墨用胶带进行机械剥离，选择石墨烯薄膜通过二维材料转移平台，转移覆盖至石墨烯悬浮凹槽3，石墨烯声子波导制备完成。
本发明的有益效果为：相比于其他方法及装置，本发明所述动态可调石墨烯声子波导具有尺寸小、质量轻、制备工艺简单等优点，声子波导的每一部分可被其对应的栅极独立调节，从而改变相应声子色散关系，调整能带结构，使声子带隙被动态调控。相比于其他声子波导装置，本发明所述石墨烯声子波导可灵活动态调节，有望在信号处理、波形工程、噪声防治等领域中有重要应用。
附图说明
图1为本发明实现动态可调石墨烯声子波导的示意图。
图2为本发明一个石墨烯声子波导单元的示意图，A点为分析点。
图3为本发明石墨烯声子波导栅极电压与石墨烯最大位移的依赖关系示意图。
图4为本发明静电对石墨烯声子波导中的色散关系示意图。
图5为本发明不同周期弹性势的间距对应色散关系示意图。
图6为本发明单元数对应的传输响应示意图。
图7中a为周期对应的传输响应示意图，b为周期示意图。
1为栅极，2为源漏接触电极，3为石墨烯悬浮凹槽，4为悬浮的石墨烯。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本实施例提供一种动态可调的石墨烯声子波导，包括衬底，衬底上设有石墨烯悬浮凹槽3，石墨烯薄膜的两端沿横向搭接在衬底上，石墨烯薄膜中部位于石墨烯悬浮凹槽3上方的部分与石墨烯悬浮凹槽3之间形成悬浮；
多个纵向延伸的栅极在横向上周期性平行排列形成栅极阵列；横向上相邻的栅极1之间设置一源漏接触电极2，石墨烯悬浮凹槽3内不设置源漏接触电极2；
向栅极1施加直流电压，产生不均匀电场，感应出偶极矩，继而产生使石墨烯悬浮凹槽3上方的石墨烯薄膜向石墨烯悬浮凹槽3靠近的作用力形成静电拉伸，驱动石墨烯薄膜振动，谐振频率被电压调控；一根栅极1和悬浮于其上方的石墨烯薄膜构成一个石墨烯声子波导单元；每个石墨烯声子波导单元可被其对应的栅极独立调节，从而改变相应声子色散关系，调整能带结构，使声子带隙被动态调控。
优选的，通过紫外光刻和等离子体刻蚀得到栅极沟道结构和石墨烯悬浮凹槽3；通过电子束蒸镀得到栅极1。
优选的，经过两次紫外光刻工艺，得到栅极和源漏接触电极图案，后经一次电子束蒸镀工艺得到栅极和源漏接触电极。
本实施例还提供一种所述动态可调的石墨烯声子波导的工作方法，其为：向石墨烯声子波导的栅极施加直流电压，产生不均匀电场，感应出偶极矩，继而产生使石墨烯悬浮凹槽3上方的石墨烯薄膜向石墨烯悬浮凹槽3靠近的作用力形成静电拉伸，驱动石墨烯薄膜振动，谐振频率被电压调控；每个石墨烯声子波导单元可被其对应的栅极独立调节，从而改变相应声子色散关系，调整能带结构，使声子带隙被动态调控。
本实施例还提供一种所述动态可调的石墨烯声子波导的制备方法，包括如下步骤：
(1)图案化衬底的制备：
(1.1)一次光刻：将涂胶后的基片置于光刻机样品台上进行曝光，将曝光完毕的基片显影、定影、坚膜，得到栅极沟道和石墨烯悬浮凹槽图案；
(1.2)等离子体刻蚀：将坚膜后的基片置于电感耦合等离子光谱发生仪中，得到栅极沟道结构和石墨烯悬浮凹槽结构；
(1.3)二次光刻：将涂胶后的基片置于光刻机样品台上进行曝光，将曝光完毕的基片显影、定影、坚膜，得到源漏接触电极图案；
(1.4)电子束蒸镀：将基片置于装载板，放入电子束蒸发镀膜机中进行镀膜工艺，得到栅极1和源漏接触电极2；
(1.5)将制备完成的衬底进行漏电测试，
(2)石墨烯的转移：
选择栅极与源漏接触电极未接通的基片进行石墨烯材料转移；
将石墨用胶带进行机械剥离，选择石墨烯薄膜通过二维材料转移平台，转移覆盖至石墨烯悬浮凹槽3，石墨烯声子波导制备完成。
石墨烯声子波导的栅极应尽可能足够多，石墨烯尺寸应足够大，以对石墨烯声子波导的能带进行更大范围的调控。
如有部分石墨烯声子波导单元出现故障，可使余下部分两端仍具备源漏接触电极。
图案化衬底在转移石墨烯薄膜之前应做漏电测试，以保证栅极和源漏接触电极未连通，提高样品成品率。
利用有限元方法对石墨烯声子波导的特性进行研究。向悬浮石墨烯下的栅极施加直流电压，石墨烯产生静电弯曲，在波导中形成周期性弹性势。图2中A点为石墨烯声子波导中某一单元，设此单元的宽度为3.2μm，在A点对机电性能进行模拟，得到石墨烯声子波导栅极电压与石墨烯最大位移的依赖关系如图3所示，随着栅极电压增大，石墨烯位移逐渐增大，即石墨烯与衬底间间距逐渐减小。
振动波在周期性弹性势中传播的布拉格反射使声子晶体形成带隙，图4为静电对石墨烯声子波导中的色散关系。栅极电压所产生的静电力对色散曲线产生影响，在栅极电压达到4V时形成带隙，随着电压进一步增大，带隙变宽。
改变周期弹性势的间距，得到的色散关系如图5所示。石墨烯声子波导的每个单元宽度从1.6μm至3.9μm增加时，带隙逐渐变宽。对石墨烯声子波导的单元数与周期进行分析，如图6、7所示。可知单元数应足够多，其传输响应才能更好地体现带隙影响；周期越大，带隙出现的可能性越大。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种动态可调的石墨烯声子波导，其特征在于：包括衬底，衬底上设有石墨烯悬浮凹槽(3)，石墨烯薄膜的两端沿横向搭接在衬底上，石墨烯薄膜中部位于石墨烯悬浮凹槽(3)上方的部分与石墨烯悬浮凹槽(3)之间形成悬浮；
多个纵向延伸的栅极在横向上周期性平行排列形成栅极阵列；横向上相邻的栅极(1)之间设置一源漏接触电极(2)，石墨烯悬浮凹槽(3)内不设置源漏接触电极(2)；
向栅极(1)施加直流电压，产生不均匀电场，感应出偶极矩，继而产生使石墨烯悬浮凹槽(3)上方的石墨烯薄膜向石墨烯悬浮凹槽(3)靠近的作用力形成静电拉伸，驱动石墨烯薄膜振动，谐振频率被电压调控；一根栅极(1)和悬浮于其上方的石墨烯薄膜构成一个石墨烯声子波导单元；每个石墨烯声子波导单元可被其对应的栅极独立调节，从而改变相应声子色散关系，调整能带结构，使声子带隙被动态调控。
2.根据权利要求1所述的动态可调的石墨烯声子波导，其特征在于：通过紫外光刻和等离子体刻蚀得到栅极沟道结构和石墨烯悬浮凹槽(3)；通过电子束蒸镀得到栅极(1)。
3.根据权利要求1所述的动态可调的石墨烯声子波导，其特征在于：经过两次紫外光刻工艺，得到栅极和源漏接触电极图案，后经一次电子束蒸镀工艺得到栅极和源漏接触电极。
4.权利要求1至3任意一项所述动态可调的石墨烯声子波导的工作方法，其特征在于：向石墨烯声子波导的栅极施加直流电压，产生不均匀电场，感应出偶极矩，继而产生使石墨烯悬浮凹槽(3)上方的石墨烯薄膜向石墨烯悬浮凹槽(3)靠近的作用力形成静电拉伸，驱动石墨烯薄膜振动，谐振频率被电压调控；每个石墨烯声子波导单元可被其对应的栅极独立调节，从而改变相应声子色散关系，调整能带结构，使声子带隙被动态调控。
5.权利要求1至3任意一项所述动态可调的石墨烯声子波导的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)图案化衬底的制备：
(1.1)一次光刻：将涂胶后的基片置于光刻机样品台上进行曝光，将曝光完毕的基片显影、定影、坚膜，得到栅极沟道和石墨烯悬浮凹槽图案；
(1.2)等离子体刻蚀：将坚膜后的基片置于电感耦合等离子光谱发生仪中，得到栅极沟道结构和石墨烯悬浮凹槽结构；
(1.3)二次光刻：将涂胶后的基片置于光刻机样品台上进行曝光，将曝光完毕的基片显影、定影、坚膜，得到源漏接触电极图案；
(1.4)电子束蒸镀：将基片置于装载板，放入电子束蒸发镀膜机中进行镀膜工艺，得到栅极(1)和源漏接触电极(2)；
(1.5)将制备完成的衬底进行漏电测试，
(2)石墨烯的转移：
选择栅极与源漏接触电极未接通的基片进行石墨烯材料转移；
将石墨用胶带进行机械剥离，选择石墨烯薄膜通过二维材料转移平台，转移覆盖至石墨烯悬浮凹槽(3)，石墨烯声子波导制备完成。
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