光栅-谐振腔耦合的石墨烯太赫兹等离子体波的研究

摘要

太赫兹波因具有微波、红外以及 X射线等已经被广泛应用波段内的电磁波所不具备的特性而引起了人们广泛的关注。与传统二维电子气相比，石墨烯具有不易受温度影响，迁移率高，双极性等独特优势，其二维电子气的集体纵向电荷密度的振荡形成石墨烯等离子体波，可以通过改变栅极电压来完成二维电子到空穴气体的转换，当石墨烯载流子浓度适中（1010~1013 cm-2）时，石墨烯内部的等离子体波振荡频率是0.1~6 THz，处在太赫兹波段。但是石墨烯等离子体波与电磁波之间相互作用弱，限制了功能器件的实现与应用。针对该问题，本文提出将光栅和谐振腔相结合来共同调控石墨烯等离子体波，提高了石墨烯与电磁波的相互作用。本论文开展了基于石墨烯场效应管和光栅-谐振腔的石墨烯等离子体波太赫兹器件的研究。获得以下主要结果和结论：
　　1.光栅和谐振腔相耦合的石墨烯等离子体波器件模型。利用Matlab和时域有限差分（FDTD）等软件仿真计算出了其等离子体波频率，电场分布，透射谱和反射谱。通过改变栅压在1 THz到4 THz内调控石墨烯等离子体波的频率；谐振腔内光栅边缘的近场增强作用加强了石墨烯等离子体波与太赫兹波的相互作用，使石墨烯等离子体波对入射光的绝对吸收率达到45％。
　　2.采用了两种顶栅工艺成功制备石墨烯场效应晶体管，顶栅与背栅可同时调控石墨烯沟道内载流子的浓度和类型。通过对场效应管的电学性能测试，提取了载流子迁移率、载流子浓度、接触电阻等基本参数。结果显示顶栅下的石墨烯的迁移率可以达到2200 cm2/Vs。
　　3.初步进行了石墨烯等离子体波太赫兹器件的透射光谱实验，测得石墨烯等离子体波的频率处在太赫兹频段内，且最大的相对吸收率达到95%。同时针对石墨烯等离子体波太赫兹器件的栅控能力弱、漏电流较大的问题，考虑顶栅介质层生长厚度和生长质量的影响，分析了实验结果与理论预测存在巨大差距的可能原因。

目录

声明

第一章 引言

1.1 石墨烯的发现

1.2 石墨烯的基本结构与性质

1.3 石墨烯的制备、转移与表征

1.4 太赫兹与石墨烯等离子体波

1.5 本论文主要研究内容与意义

第二章 光栅-谐振腔耦合的石墨烯等离子体波模型

2.1 石墨烯场效应晶体管模型

2.2 光栅-谐振腔耦合的石墨烯等离子体波器件结构

2.3 石墨烯等离子体波模型

2.4 时域有限差分方法简介

2.5 FDTD仿真模拟

2.6本章小结

第三章 石墨烯等离子体波太赫兹器件的设计与加工

3.1 掩膜板设计

3.2 石墨烯层数与迁移率的表征

3.3 石墨烯等离子体波太赫兹器件的加工制备

3.4 本章小结

第四章 石墨烯等离子体波太赫兹器件的光电测试与分析

4.1 石墨烯材料及其器件漏电流测试

4.2 石墨烯场效应管电学测试与分析

4.3 石墨烯等离子体波太赫兹器件电学测试与分析

4.4 石墨烯太赫兹等离子体波调控的实验研究

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 本文主要结论

5.2 展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果