本發(fā)明屬于太赫茲波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及太赫茲調(diào)制器件，具體為一種基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器。

背景技術(shù)：

太赫茲波(terahertz wave)是指頻率為0.1～10THz、波長(zhǎng)為30μm～3mm范圍內(nèi)的電磁波，其波段位于微波和紅外波之間，具有獨(dú)特的電磁特性，在電磁波譜中占據(jù)著重要位置。太赫茲波在生物醫(yī)學(xué)診斷、無(wú)線通信、雷達(dá)成像、電子對(duì)抗、國(guó)土安全和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及國(guó)防建設(shè)具有重大意義。太赫茲調(diào)制器是太赫茲通信系統(tǒng)和雷達(dá)成像系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵核心部件，在過(guò)去十年中通過(guò)對(duì)新材料和新結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)取得了巨大的發(fā)展；這些新材料和結(jié)構(gòu)包括二維電子氣、人工超材料、超導(dǎo)材料、相變材料等。在這些研究中，基于石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的太赫茲波調(diào)制器受到了極大的關(guān)注；這主要是由于石墨烯晶體管具有高開(kāi)關(guān)頻率、極低的損耗和制備柔性器件的技術(shù)潛力。

石墨烯是一種由碳的同素異形體構(gòu)成的的二維單原子層薄膜材料，具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)、良好的電學(xué)性能、光學(xué)性能、機(jī)械性能及熱穩(wěn)定性?；谑┭兄瞥晒?chǎng)效應(yīng)晶體管器件，并成功應(yīng)用為光學(xué)調(diào)制器和太赫茲波調(diào)制器。目前，石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管太赫茲波調(diào)制器通常采用半導(dǎo)體硅作為襯底，以SiO₂或者Al₂O₃來(lái)作為柵介質(zhì)層，由于硅襯底厚度通常為幾百微米，導(dǎo)致器件的插入損耗大、插損通常達(dá)到5dB以上，而且其工作電壓高、限制了其開(kāi)關(guān)速度；此外，基于硅襯底的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管太赫茲調(diào)制器無(wú)法彎曲，因此無(wú)法應(yīng)用于非平面的表面。針對(duì)該問(wèn)題，文獻(xiàn)《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(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的柔性太赫茲波調(diào)制器，以柔性PET薄膜為襯底、離子膠為柵介質(zhì)層構(gòu)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(dá)到狄拉克點(diǎn)時(shí)的柵壓，因此工作電壓只有1V；這種柔性器件可以應(yīng)用在飛機(jī)、雷達(dá)、光纖等有復(fù)雜表面上，因而有望成為太赫茲調(diào)制器件發(fā)展的一個(gè)重要的方向。然后，以上提到的石墨烯晶體管太赫茲調(diào)制器的的調(diào)制深度僅有20％左右，且只能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)兩個(gè)狀態(tài)，這些因素限制了該調(diào)制器在太赫茲波通信、太赫茲波探測(cè)、太赫茲波成像領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器，用以克服現(xiàn)有石墨烯晶體管太赫茲調(diào)制器的調(diào)制深度低及只能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)兩個(gè)狀態(tài)的缺陷；本發(fā)明的核心是采用雙層柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，兩個(gè)柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管分別設(shè)置于同一柔性襯底的兩側(cè)，能夠大幅提升器件調(diào)制深度至37％以上；同時(shí)，通過(guò)合理控制兩個(gè)柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，能夠獲得多個(gè)調(diào)制狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波幅度的多級(jí)調(diào)制，使得太赫茲調(diào)制器能夠在單一信道內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)速率的傳輸，也可以廣泛用在太赫茲成像和探測(cè)等系統(tǒng)中；另外，本發(fā)明調(diào)制器同樣具有柔性、寬帶、低插損等優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器，其特征在于，所述太赫茲調(diào)制器采用上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，包括襯底，襯底上、下表面對(duì)稱設(shè)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(shè)置于襯底表面，所述源電極、離子膠、漏電極設(shè)置于石墨烯薄膜表面，所述柵電極設(shè)置于離子膠表面。

進(jìn)一步的，所述襯底上、下表面對(duì)稱設(shè)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(zhì)層，離子膠對(duì)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(qū)域應(yīng)大于所調(diào)制的太赫茲波波束。

從工作原理上講：

本發(fā)明結(jié)構(gòu)中，襯底是采用柔性材料PET，對(duì)太赫茲波有較好的透過(guò)性，可彎曲，并且彎曲時(shí)能夠保持器件性能穩(wěn)定；石墨烯作為一種半導(dǎo)體材料，其電阻率可通過(guò)改變柵極電壓來(lái)改變，在狄拉克點(diǎn)附近，石墨烯的電阻率最大，此時(shí)太赫茲波的透射最強(qiáng)，遠(yuǎn)離狄拉克點(diǎn)位置，電阻率降低，透射減弱，因此通過(guò)離子膠對(duì)石墨烯施加電場(chǎng)，就可以調(diào)制太赫茲波的透射幅度。本發(fā)明在襯底上、下表面采用了兩個(gè)不同電阻率的石墨烯薄膜，構(gòu)成的石墨烯晶體管對(duì)太赫茲波具有顯著不同的調(diào)制深度，能夠通過(guò)單側(cè)控制和兩側(cè)級(jí)聯(lián)控制實(shí)現(xiàn)多級(jí)調(diào)制，分別將單側(cè)透射最強(qiáng)時(shí)為A_max、B_max，透射最小時(shí)記為A_min、B_min，則通過(guò)排列組合，一共可實(shí)現(xiàn)A_maxB_max、A_maxB_min、A_minB_max和A_minB_min四種狀態(tài)的調(diào)制，且從狀態(tài)A_maxB_max到狀態(tài)A_minB_min相較于單側(cè)調(diào)制時(shí)均具備更大的調(diào)制深度。

綜上，本發(fā)明的有益效果在于：

1.本發(fā)明提供基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器，采用上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)，能夠通過(guò)級(jí)聯(lián)控制，實(shí)現(xiàn)太赫茲波幅度的4種狀態(tài)以上的多級(jí)調(diào)制，因此能夠在單一信道內(nèi)提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率；

2.本發(fā)明提供基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器，能夠大大提高現(xiàn)有石墨烯晶體管太赫茲調(diào)制器的調(diào)制深度，能夠達(dá)到37％以上，比現(xiàn)有石墨烯晶體管太赫茲調(diào)制器提高一倍；

3.本發(fā)明提供基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器，具有很好的可彎曲特性(柔性)，能夠應(yīng)用于復(fù)雜的非平面表面；同時(shí)，具有插入損耗小(2dB)和寬帶調(diào)制(0.2-1THz)等特性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)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(fā)明基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器示意圖的俯視圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例所采用的單層石墨烯薄膜的Raman光譜。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中所采用的PET襯底與普通高阻硅襯底的透射率對(duì)比圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器在單側(cè)分別加電壓和兩側(cè)共同加?xùn)艍赫{(diào)制時(shí)的最大透射強(qiáng)度隨柵壓改變時(shí)的變化曲線。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器在A側(cè)加不同柵壓時(shí)的透射譜。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器在B側(cè)加不同柵壓時(shí)的透射譜。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例中基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器在兩側(cè)均加不同柵壓時(shí)的透射譜。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例中所基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器在不同情況下的調(diào)制深度對(duì)比曲線圖。

圖10所示為實(shí)施列基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器在A面和B面通過(guò)施加級(jí)聯(lián)偏壓獲得4級(jí)調(diào)制的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，本發(fā)明并不局限于該實(shí)施例。

本實(shí)施例中提供基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括PET襯底101，襯底上下表面依次設(shè)置石墨烯薄膜102A和102B，離子膠介質(zhì)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯，是一種高透射柔性材料，透射率可達(dá)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(zhì)層，為一種絕緣材料，成分為L(zhǎng)iClO₄：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(shè)置在石墨烯薄膜102A上，柵電極106A設(shè)置在離子膠103A上；所述源電極104B、漏電極105B設(shè)置在石墨烯薄膜102B上，柵電極106B設(shè)置在離子膠103B上；其單側(cè)排布方式如圖2所示。

上述太赫茲波調(diào)制器的制備過(guò)程包括以下步驟：

步驟1.清洗PET襯底：將襯底依次進(jìn)行超聲清洗、去離子水沖洗后烘干備用；

步驟2.轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜：首先在生長(zhǎng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移；

步驟3.制備柵介質(zhì)：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(dǎo)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(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器。

如圖3所示為實(shí)施例調(diào)制器結(jié)構(gòu)中石墨烯薄膜進(jìn)行的Raman光譜分析，分別在1581cm^-1和2691cm^-1附近出現(xiàn)的G峰和2D峰，2D/G＝1.7，D峰非常弱，說(shuō)明該石墨烯薄膜為單層石墨烯，并且質(zhì)量較高。

對(duì)上述太赫茲波調(diào)制器進(jìn)行測(cè)試：

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

如圖4所示為實(shí)施例所采用的柔性襯底與普通高阻硅的透射率對(duì)比圖，可見(jiàn)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(shí)施例基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器的透射強(qiáng)度隨柵壓改變時(shí)的變化情況，結(jié)果顯示A面和B面石墨烯達(dá)到狄拉克點(diǎn)時(shí)的柵壓分別為0.5V和0.3V。

如圖6和圖7所示為實(shí)施例基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器轉(zhuǎn)移不同電阻率的石墨烯時(shí)的透射率變化情況，結(jié)果顯示電阻率較大的石墨烯有更大的調(diào)制幅度。

如圖8所示為實(shí)施例基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器在級(jí)聯(lián)調(diào)制時(shí)的透射率改變情況，結(jié)果顯示兩側(cè)共同作用時(shí)調(diào)制器調(diào)制的幅度相對(duì)于單獨(dú)一側(cè)調(diào)制時(shí)更大，最大透射率由單側(cè)的80％(A面)提高到85％，最小透射率由單側(cè)的60％(B面)降低到55％。

如圖9所示為實(shí)施例基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器在級(jí)聯(lián)調(diào)制和單側(cè)調(diào)制時(shí)的調(diào)制深度對(duì)比圖，結(jié)果顯示級(jí)聯(lián)調(diào)制可使調(diào)制深度顯著增加，級(jí)聯(lián)調(diào)制調(diào)制深度可達(dá)到37％。大于單側(cè)分別調(diào)制深度之和(21％+13％)。

圖10所示為實(shí)施列基于柔性石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的多級(jí)太赫茲調(diào)制器在A面和B面通過(guò)施加級(jí)聯(lián)偏壓獲得4級(jí)調(diào)制。其中V_GA＝0V和V_GB＝0V時(shí)獲得“00”態(tài)；V_GA＝0V和V_GB＝–3.0V時(shí)獲得“01”態(tài)，,V_GA＝–3.0V和V_GB＝0V時(shí)獲得“10”態(tài)，V_GA＝–3.0V和V_GB＝–3.0V時(shí)獲得“11”態(tài)。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，本說(shuō)明書中所公開(kāi)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(kāi)的所有特征、或所有方法或過(guò)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。