基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器的制作方法

本發明屬于太赫茲波應用技術領域，涉及太赫茲調制器件，具體為一種基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器。

背景技術：

太赫茲波(terahertz wave)是指頻率為0.1～10THz、波長為30μm～3mm范圍內的電磁波，其波段位于微波和紅外波之間，具有獨特的電磁特性，在電磁波譜中占據著重要位置。太赫茲波在生物醫學診斷、無線通信、雷達成像、電子對抗、國土安全和環境監測等領域具有非常重要的應用，對國民經濟以及國防建設具有重大意義。太赫茲調制器是太赫茲通信系統和雷達成像系統的一個關鍵核心部件，在過去十年中通過對新材料和新結構的研究已經取得了巨大的發展；這些新材料和結構包括二維電子氣、人工超材料、超導材料、相變材料等。在這些研究中，基于石墨烯場效應晶體管的太赫茲波調制器受到了極大的關注；這主要是由于石墨烯晶體管具有高開關頻率、極低的損耗和制備柔性器件的技術潛力。

石墨烯是一種由碳的同素異形體構成的的二維單原子層薄膜材料，具有獨特的能帶結構、良好的電學性能、光學性能、機械性能及熱穩定性。基于石墨烯研制成功場效應晶體管器件，并成功應用為光學調制器和太赫茲波調制器。目前，石墨烯場效應晶體管太赫茲波調制器通常采用半導體硅作為襯底，以SiO₂或者Al₂O₃來作為柵介質層，由于硅襯底厚度通常為幾百微米，導致器件的插入損耗大、插損通常達到5dB以上，而且其工作電壓高、限制了其開關速度；此外，基于硅襯底的石墨烯場效應晶體管太赫茲調制器無法彎曲，因此無法應用于非平面的表面。針對該問題，文獻《Liu J,Li P,Chen Y,et al.Flexible terahertz modulator based on coplanar-gate graphene field-effect transistor structure，Optics Letters，2016,41(4)》中提出了一種基于石墨烯場效應晶體管結構的柔性太赫茲波調制器，以柔性PET薄膜為襯底、離子膠為柵介質層構建了石墨烯晶體管，器件插損只有1.2dB，具有非常好的可彎曲性，并有效降低了石墨烯達到狄拉克點時的柵壓，因此工作電壓只有1V；這種柔性器件可以應用在飛機、雷達、光纖等有復雜表面上，因而有望成為太赫茲調制器件發展的一個重要的方向。然后，以上提到的石墨烯晶體管太赫茲調制器的的調制深度僅有20％左右，且只能實現開關兩個狀態，這些因素限制了該調制器在太赫茲波通信、太赫茲波探測、太赫茲波成像領域的廣泛應用。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器，用以克服現有石墨烯晶體管太赫茲調制器的調制深度低及只能實現開關兩個狀態的缺陷；本發明的核心是采用雙層柔性石墨烯場效應晶體管結構，兩個柔性石墨烯場效應晶體管分別設置于同一柔性襯底的兩側，能夠大幅提升器件調制深度至37％以上；同時，通過合理控制兩個柔性石墨烯場效應晶體管，能夠獲得多個調制狀態，實現對太赫茲波幅度的多級調制，使得太赫茲調制器能夠在單一信道內實現更高數據速率的傳輸，也可以廣泛用在太赫茲成像和探測等系統中；另外，本發明調制器同樣具有柔性、寬帶、低插損等優點。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案為：

基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器，其特征在于，所述太赫茲調制器采用上下對稱結構，包括襯底，襯底上、下表面對稱設置的石墨烯薄膜、離子膠、源電極、漏電極、柵電極，其中，所述石墨烯薄膜設置于襯底表面，所述源電極、離子膠、漏電極設置于石墨烯薄膜表面，所述柵電極設置于離子膠表面。

進一步的，所述襯底上、下表面對稱設置的石墨烯薄膜采用電阻率不同的石墨烯薄膜，石墨烯薄膜為單層或者多層。

所述離子膠均為同一材料，由高氯酸鋰、聚氧乙烯和甲醇混合配置而成；作為柵介質層，離子膠對太赫茲波基本透明，損耗極小。

所述襯底采用PET襯底。

所述源電極、漏電極、柵電極均采用金屬，如Au、Ag、Cu、Al等，厚度為100～200nm。

上述器件的有效工作區域應大于所調制的太赫茲波波束。

從工作原理上講：

本發明結構中，襯底是采用柔性材料PET，對太赫茲波有較好的透過性，可彎曲，并且彎曲時能夠保持器件性能穩定；石墨烯作為一種半導體材料，其電阻率可通過改變柵極電壓來改變，在狄拉克點附近，石墨烯的電阻率最大，此時太赫茲波的透射最強，遠離狄拉克點位置，電阻率降低，透射減弱，因此通過離子膠對石墨烯施加電場，就可以調制太赫茲波的透射幅度。本發明在襯底上、下表面采用了兩個不同電阻率的石墨烯薄膜，構成的石墨烯晶體管對太赫茲波具有顯著不同的調制深度，能夠通過單側控制和兩側級聯控制實現多級調制，分別將單側透射最強時為A_max、B_max，透射最小時記為A_min、B_min，則通過排列組合，一共可實現A_maxB_max、A_maxB_min、A_minB_max和A_minB_min四種狀態的調制，且從狀態A_maxB_max到狀態A_minB_min相較于單側調制時均具備更大的調制深度。

綜上，本發明的有益效果在于：

1.本發明提供基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器，采用上下對稱結構，能夠通過級聯控制，實現太赫茲波幅度的4種狀態以上的多級調制，因此能夠在單一信道內提供更高的數據傳輸速率；

2.本發明提供基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器，能夠大大提高現有石墨烯晶體管太赫茲調制器的調制深度，能夠達到37％以上，比現有石墨烯晶體管太赫茲調制器提高一倍；

3.本發明提供基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器，具有很好的可彎曲特性(柔性)，能夠應用于復雜的非平面表面；同時，具有插入損耗小(2dB)和寬帶調制(0.2-1THz)等特性。

附圖說明

圖1為本發明基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器示意圖(剖視圖)，其中，101表示PET襯底、102A和102B表示石墨烯薄膜、103A和103B表示離子膠，104A和104B表示源電極，105A和105B表示漏電極，106A和106B表示柵電極。

圖2為本發明基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器示意圖的俯視圖。

圖3為本發明實施例所采用的單層石墨烯薄膜的Raman光譜。

圖4為本發明實施例中所采用的PET襯底與普通高阻硅襯底的透射率對比圖。

圖5為本發明實施例中基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器在單側分別加電壓和兩側共同加柵壓調制時的最大透射強度隨柵壓改變時的變化曲線。

圖6為本發明實施例中基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器在A側加不同柵壓時的透射譜。

圖7為本發明實施例中基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器在B側加不同柵壓時的透射譜。

圖8為本發明實施例中基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器在兩側均加不同柵壓時的透射譜。

圖9為本發明實施例中所基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器在不同情況下的調制深度對比曲線圖。

圖10所示為實施列基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器在A面和B面通過施加級聯偏壓獲得4級調制的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，本發明并不局限于該實施例。

本實施例中提供基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器，其結構如圖1所示，包括PET襯底101，襯底上下表面依次設置石墨烯薄膜102A和102B，離子膠介質層103A和103B，源電極104A和104B，漏電極105A和105B，柵電極106A和106B；所述PET襯底，全稱為聚對苯二甲酸乙二醇酯，是一種高透射柔性材料，透射率可達90％，可彎曲角度大于60°；所述石墨烯薄膜102A和102B均為單層石墨烯，電阻率分別為200Ω·cm和50Ω·cm；所述源電極104A和104B，漏電極105A和105B，柵電極106A和106B為金屬Ag(200nm)；所述離子膠介質層，為一種絕緣材料，成分為LiClO₄：PEO(聚氯乙烯)：甲醇＝0.07g：0.56g：10ml在一定條件下制得；所述源電極104A、漏電極105A設置在石墨烯薄膜102A上，柵電極106A設置在離子膠103A上；所述源電極104B、漏電極105B設置在石墨烯薄膜102B上，柵電極106B設置在離子膠103B上；其單側排布方式如圖2所示。

上述太赫茲波調制器的制備過程包括以下步驟：

步驟1.清洗PET襯底：將襯底依次進行超聲清洗、去離子水沖洗后烘干備用；

步驟2.轉移石墨烯薄膜：首先在生長有石墨烯薄膜的金屬銅基底上旋涂一層PMMA，然后將金屬銅基底放入氯化鐵溶液中將基底腐蝕干凈，再將旋涂有PMMA的石墨烯薄膜用去離子水清洗干凈后轉移至PET襯底上，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轉移；

步驟3.制備柵介質：將配制好的離子膠均勻涂覆在石墨烯表面，等自然晾干；

步驟4.制備源電極、漏電極和柵電極：用導電銀膠涂覆法分別在石墨烯上制備漏電極和源電極，在離子膠上制備柵電極；

即制備得基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器。

如圖3所示為實施例調制器結構中石墨烯薄膜進行的Raman光譜分析，分別在1581cm^-1和2691cm^-1附近出現的G峰和2D峰，2D/G＝1.7，D峰非常弱，說明該石墨烯薄膜為單層石墨烯，并且質量較高。

對上述太赫茲波調制器進行測試：

測試采用透射式太赫茲時域光譜系統(THz-TDS)，太赫茲波有飛秒激光泵浦光電導天線產生，垂直入射到樣品表面，透射波由光電導天線接收。

如圖4所示為實施例所采用的柔性襯底與普通高阻硅的透射率對比圖，可見柔性襯底的太赫茲透射率最大可提高約35％，平均損耗減小約20％。

如圖5所示為實施例基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器的透射強度隨柵壓改變時的變化情況，結果顯示A面和B面石墨烯達到狄拉克點時的柵壓分別為0.5V和0.3V。

如圖6和圖7所示為實施例基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器轉移不同電阻率的石墨烯時的透射率變化情況，結果顯示電阻率較大的石墨烯有更大的調制幅度。

如圖8所示為實施例基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器在級聯調制時的透射率改變情況，結果顯示兩側共同作用時調制器調制的幅度相對于單獨一側調制時更大，最大透射率由單側的80％(A面)提高到85％，最小透射率由單側的60％(B面)降低到55％。

如圖9所示為實施例基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器在級聯調制和單側調制時的調制深度對比圖，結果顯示級聯調制可使調制深度顯著增加，級聯調制調制深度可達到37％。大于單側分別調制深度之和(21％+13％)。

圖10所示為實施列基于柔性石墨烯場效應晶體管結構的多級太赫茲調制器在A面和B面通過施加級聯偏壓獲得4級調制。其中V_GA＝0V和V_GB＝0V時獲得“00”態；V_GA＝0V和V_GB＝–3.0V時獲得“01”態，,V_GA＝–3.0V和V_GB＝0V時獲得“10”態，V_GA＝–3.0V和V_GB＝–3.0V時獲得“11”態。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，本說明書中所公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換；所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以任何方式組合。