石墨烯薄膜材料微波参数测试方法研究

摘要

石墨烯作为新型纳米电子材料，是目前微波波器件的研究热点，在高频电子器件领域具有广阔的应用前景。石墨烯的微波介电参数是石墨烯微波电路研制的基础，因此开展石墨烯介电参数测试方法研究，对石墨烯微波电路的发展至关重要。然而，由于石墨烯具有纳米级物理尺寸和金属半导体特性，传统介电参数测试方法存在灵敏度低，测试误差大，甚至失效等问题，导致目前仅限于对机械剥离的小面积石墨烯传输线等效电路模型的研究，而对化学气相沉积(CVD)制备的大面积石墨烯介电参数的研究仍未见报道，极大地限制了石墨烯电路设计的发展。
　　本文主要通过理论分析，对比研究各种薄膜微波测量方法优缺点，选择了适合石墨烯特性的微波传输测量法，以适应宽频带、高损耗介质薄膜的测量。提出了基于多层介质共面波导传输线结构，在6GHz~40GHz频率范围内，对化学气相沉积(CVD)制备的石墨烯薄膜的介电参数进行测量。利用微波矢量网络分析仪和微波探针，直接测量了含有石墨烯薄膜介质的多层介质共面波导 S参数，通过传输线理论，从 S参数中提取石墨烯的复介电常数。同时，本文建立了微波矢量网络分析仪的误差模型，对校准方法进行了理论推导，最终采用了基于10项误差模型TRL校准方法，提高了测量的准确度和测量频率范围。
　　本文采用了纳米制造工艺，制备出了石墨烯薄膜样品，建立了多层介质分析模型，从测试结果中直接提取出了石墨烯微波介电参数，以理论分析和实验测量的数据相结合，验证了理论方法的正确性和测试系统的可靠性，该方法可实现大面积石墨烯的介电参数测量，为设计石墨烯微波电路奠定了基础。

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第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究进展

1.3 微波传输测试法研究状况

1.4 本论文的主要研究内容

第二章 电介质参数微波测量的基本原理

2.1 介质参数定义及其影响

2.2 传输线理论

2.3 共面波导微波传输特性分析

2.4 微波网络分析

2.5 矢量网络分析仪的误差来源及校准

2.6 本章小结

第三章 测试结构的设计仿真与实现

3.1 共面波导结构

3.2 基片材料的选取

3.3 共面波导参数设计和仿真

3.4 TRL校准件设计

3.5 测试结构版图设计

3.6 测试样品制备

3.7 本章小结

第四章 石墨烯介质微波参数的测试方法

4.1 散射参数校准

4.2 石墨烯介电常数的提取

4.3 石墨烯损耗角正切的提取

4.4 本章小结

第五章 测量及数据分析

5.1 测量平台

5.2 测试结果

5.3 误差分析

5.4 本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果