石墨烯晶体管太赫兹调制器的建模与研制

摘要

随着科学技术的发展，太赫兹波在材料科学、安全检查、医学检测、无线通讯等领域经历了快速的发展，并且已经显示出越来越广阔的应用前景。但是作为新兴的电磁研究波段，太赫兹相关的功能器件依然还不成熟，这就严重影响着太赫兹技术的发展和应用，因此，设计和开发太赫兹功能器件就显得尤为重要。当下的石墨烯材料具有优异的机械和电学性能，对太赫兹波具有显著响应；人工电磁超材料有着独特且可控结构，也越来越多地被使用，同时石墨烯材料和人造电磁超材料的结合则会实现对太赫兹波更好的调制表现。 首先，根据石墨烯材料的结构与性质，介绍了石墨烯的一般转移过程，分析了转移过程中遇到的问题，针对出现的问题提出两种有利于转移更优异的大面积石墨烯薄膜的优化方法。然后，详细地介绍了以石墨烯为沟道的埋栅结构石墨烯晶体管，并对该晶体管的结构、原理和其制备过程做了解释说明。本文在传统的半导体制造工艺基础上，通过不断优化和调整工艺流程和参数，最终成功制备出以石墨烯为沟道的埋栅结构石墨烯晶体管，并对该晶体管相关的电学性能进行测试和分析。 接下来，利用CST电磁仿真软件设计了一种基于石墨烯晶体管的太赫兹调制器，通过多次仿真优化超材料结构尺寸后获得最优设计尺寸，在石墨烯晶体管的制备工艺基础上，成功制备出所设计的石墨烯晶体管太赫兹波调制器件，通过太赫兹时域光谱系统测试和太赫兹空间传输系统动态测试得到太赫兹调制器的调制特性，发现该器件在0.35THz的频点附近实现了12.5%的最大调制深度，以及60.1kHz的3dB工作带宽。 最后，针对传统的太赫兹吸收器的局限性，由二维石墨烯整合组装而成的三维石墨烯表现出对太赫兹波有着非常高的吸收性，我们利用三维石墨烯的高吸收性，结合PDMS设计并制备了一种基于三维石墨烯的“三明治”结构的可拉伸太赫兹吸波材料。测量发现三维石墨烯在0.2THz-1.1THz频段内实现了最高达到90%的太赫兹波吸收率，同时由于PDMS的保护，“三明治”结构材料在20%的一维拉伸量下可以维持85-90%的高吸收率。此外，在拉伸前后该材料的结构和吸收性能是可恢复的，而且对太赫兹波表现出一定的极化敏感性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 太赫兹波的研究背景

1.2 太赫兹调控技术的简介

1.3 石墨烯太赫兹调制器的研究现状

1.4 本论文的选题与结构安排

第二章 石墨烯的转移工艺和表征方法

2.1 石墨烯的介绍

2.2 石墨烯的转移工艺及其优化研究

2.2.1 石墨烯的转移工艺

2.2.2 石墨烯转移的工艺优化

2.3.1 石墨烯的光学分析

2.3.2 石墨烯的拉曼表征

2.3.3 石墨烯的方阻分析

2.4 本章小结

第三章 石墨烯场效应晶体管的研究

3.1 石墨烯场效应晶体管的基本原理

3.2 石墨烯晶体管的制备工艺及流程

3.2.1清洗工艺

3.2.2 热氧化工艺

3.2.3 光刻工艺

3.2.4 刻蚀工艺

3.2.5 扩散工艺

3.2.6 原子层沉积工艺

3.2.7 电子束蒸发工艺

3.3 石墨烯晶体管的制备步骤

3.4 石墨烯晶体管的电学性能测试

3.4.1 石墨烯晶体管的基本参数

3.4.2 栅电极的耐压测试

3.4.3 石墨烯晶体管的转移和输出特性

3.5 本章小结

第四章 石墨烯晶体管太赫兹调制器的研究

4.1.1 超材料的原理

4.1.2 超材料结构的设计与仿真

4.2.1 石墨烯晶体管太赫兹调制器的设计

4.2.2 石墨烯晶体管太赫兹调制器的制备

4.3.1石墨烯晶体管太赫兹调制器的THz-TDS测试

4.3.2石墨烯晶体管太赫兹调制器的动态测试

4.3 本章小结

第五章 基于三维石墨烯的可拉伸太赫兹吸波材料的研究

5.1 可拉伸太赫兹吸波的研究意义

5.2基于三维石墨烯的可拉伸太赫兹吸波材料的制备

5.2.1 气相沉积法制备三维石墨烯

5.2.2 制备PDMS薄膜

5.3.1 对三维石墨烯吸收特性的研究

5.3.2 不同拉伸量对于太赫兹复合吸波材料的研究

5.3.3 旋转角度对于太赫兹复合吸波材料的影响研究

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果