基于石墨烯与超材料结构的太赫兹波调制器件研究

摘要

随着超快激光技术和太赫兹探测技术的发展，国内外高校和科研机构纷纷投入到太赫兹功能器件的研发热潮当中，使得太赫兹吸收、滤波、调制等功能器件取得了快速的发展。近年来，石墨烯、超材料等大量的新材料、新结构被引入到太赫兹领域，使得太赫兹波调控技术的发展尤为迅速。本文以此为研究背景，基于背栅晶体管结构和现有的半导体工艺，设计并制备了将石墨烯和超材料结构相结合的太赫兹波调制器，并对其性能进行研究。除此之外，针对调制器的实际应用环境，我们提出了两种基于柔性衬底的太赫兹波调制器。
　　本文首先研究了石墨烯的一般转移工艺，并通过分析转移时遇到的问题，对转移工艺进行优化，获得了质量良好的石墨烯薄膜。接着根据传统的晶体管结构，设计了一种以石墨烯为沟道的背栅晶体管，通过不断调整优化工艺和摸索工艺参数，制备出了性能良好的背栅石墨烯晶体管。然后提出了一种将石墨烯和超材料结构结合的太赫兹波调制器，根据之前制备背栅石墨烯晶体管的经验，成功制备出了具有选频特性的太赫兹波调制器件，通过电学调控，在设计的频点处，获得了6％的调制深度。针对二氧化硅容易击穿的缺点，我们提出了改进方案，即用氧化铝作为栅介质，并优化了超材料结构，最终经过THz-TDS时域光谱系统测试，改进后的调制器的调制深度提升了一倍，达到了13%。最后，我们研究了基于柔性衬底太赫兹波调制器。其中，以PET为衬底的多级太赫兹波调制器，通过控制施加电压的方式，可实现四级调制，最大调制深度高达36%；以PDMS为衬底的薄层硅太赫兹波调制器，在808nm激光作用下实现了透射增强，并通过刻蚀薄层硅，获得了可拉伸的太赫兹波调制器。
　　本论文的研究内容比较前沿，为太赫兹调制器的发展提供了一些新思路、新方向，可做进一步研究。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1太赫兹波研究背景

1.2 石墨烯太赫兹调制器的研究现状

1.3 论文研究内容

第二章 石墨烯的转移工艺和表征方法

2.1石墨烯简介

2.2石墨烯薄膜的转移

2.3石墨烯转移时遇到的问题

2.4石墨烯薄膜的表征

2.5本章小结

第三章 背栅石墨烯晶体管的研究

3.1 背栅石墨烯晶体管的制备方案研究

3.2 背栅石墨烯晶体管的制备工艺研究

3.3 背栅石墨烯晶体管的电学性能测试

3.4 本章小结

第四章 基于背栅石墨烯晶体管和超材料结构的太赫兹波调制器件研究

4-1 超材料结构的仿真设计

4.2 基于石墨烯和超材料结构的太赫兹波调制器件的设计和制备

4.3 基于石墨烯和超材料结构的太赫兹波调制器件的性能研究

4.4 高K材料作为介质层的超材料结构太赫兹波调制器件研究

4.5 本章小结

第五章 基于柔性衬底的太赫兹波调制器件研究

5.1 基于PET衬底的多级太赫兹波调制器件研究

5.2 基于PDMS衬底的薄层硅太赫兹波调制器件研究

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果