石墨烯太赫兹纳米器件综述教学内容.ppt

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1、石墨烯太赫兹纳米器件综述诺奖获得者和石墨烯的平面结构石墨烯研究现状石墨烯目前还处于研发阶段，各国对于这个新兴材料还处于一个专利布局期。尚未出现产业化动向，整个产业链还没有形成。制备石墨烯的技术不成熟，未达到一致性的品质，成品面积都比较小，不适应工业化应用。我国石墨烯领域研发起步较晚，但发展快，有潜在优势和后发优势，2013年7月13日，中国石墨烯产业技术创新战略联盟成立。各国的石墨烯文献发表量持续增加。石墨烯的结构石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形相互连接排布，随碳原子增多，二维平面不断扩大，形成石墨烯二维平面晶体结构。二维平面结构可弯

2、曲，可形成碳纳米管，富勒烯等。石墨烯的结构十二分稳定，迄今没发现碳原子缺失的情况，是目前可知的硬度最大的晶体。石墨烯结构图石墨烯制备方法石墨烯的性质机械性能：石墨烯是人类已知的强度最高的物质。热学性能：石墨烯的导热系数最高达到5300w/mk。可用于超大规模纳米集成电路的散热材料。光学性质：石墨烯只吸收照射到它表表面2.3%的光。此外还有化学性质、电学性质等其他一些性质。下面主要介绍石墨烯的光电特性。石墨烯电导率特性其中e是单位电荷量，h是普朗克常量，ω是光波角频率，Ef是费米能级，f（.）是费米分布函数，t是动量弛豫时间，г是描述带间跃迁增

3、加的参数在低频率（太赫兹频率）时，石墨烯的光电导率主要取决于带内跃迁，而在高频率时，带间跃迁占优势，当频率非常高时接近可见光范围，此时光电导率降低到一个恒定值e2/4h,因此一般情况下，石墨烯片层只吸收照射到它表明的2.3%的光，这一特性满足了人们追求透明电极的要求。太赫兹范围内带内跃迁显著，光电导率通过费米能级控制载流子浓度来改变。太赫兹范围内，带间跃迁的光电导率可以忽略不计，石墨烯电导率可以写成一个德鲁德状（Drude-like）分散体形式：由于石墨烯的锥形分散结构，其直流电导率和载流子浓度是成正比的：石墨烯等离子特性等离子体激元是石墨烯

4、中载流子的集体震荡，图案化石墨烯在太赫兹范围内的起源和性质源于德鲁德光电导率。（a）图理解成R-L-C谐振器。R是电阻率（的倒数）实部，它依赖于石墨烯的图案化结构尺寸和形状。电感L是电阻率虚部，和σdc成反比。电容C取决于几何形状和阵列元件之间的相互作用。因此产生的振荡频率：N层被绝缘体分开且每层都掺杂n0载体构成的光学薄电浆结构下等离子体共振与载流子浓度关系，虚线是n的平方根。石墨烯太赫兹纳米器件光电调制器太赫兹范围内，带内跃迁占主导地位，此时石墨烯就像一个导电膜，它的光导电率紧随它的导电性，光电导率可以通过一个简单的德鲁德模型[35]-[

5、36]来描述：传统砷化铝镓/砷化镓调制器的调制深度最大6%，而石墨烯材料的调制器调制深度为15%。实际结构模型如图所示。调制深度（透射强度率）为13%—17%零偏压时，费米电平是在所有石墨烯层的狄拉克点，插入损耗或信号衰减降到最低。由于石墨烯对称的能带结构，空穴和电子迁移率与他们的密度状态时相关的，每个石墨烯层都可以促进太赫兹调制。层叠的结构可以帮助克服实验中每层石墨烯出现的潜在调制限制。(a)栅极电压从0到50V时石墨烯的直流电导率函数，透射率随着石墨烯的直流电导率的减小而增大(b)给出了在Vg=0V和Vg=50V时，透射率强度关于频率的函

6、数,测量和模拟结果之间具有良好的相合性(c)除去由于掺杂大量P型Si衬底造成的空洞效应和自由载流子的吸收后的透光率(d)绿表示吸收，蓝表示反射率，粉色区域表示直流电导率的变化范围显著特点是，单层石墨烯对光的吸收可高达50%(e)蓝色实线表示透射强度，绿色虚线表示传输灵敏度透射率随电导率变化的敏感结论：透射率随着石墨烯的直流电导率的减小而增大测量和模拟结果之间具有良好的相合性，这表明石墨烯太赫兹传输确实可以用德鲁德模型在这个频率范围内描述。单层石墨烯对光的吸收可高达50%，这与红外/可见光范围内2.3%的吸收相比大大增加。对光的大量吸收意味着满

7、足大量的带内跃迁状况，因为在高电导率下产生极高的载流子浓度。石墨烯在最小导电率时不会引入明显的太赫兹波的插入损耗石墨烯光电调制器的调制深度范围大概为13%—17%，比传统材料的6%大很多。通过电调谐带内跃迁密度，可以控制太赫兹波在石墨烯中的传输。人工结构表面-自立式利用偏压产生的电场使得表面电导率突增，从而激发相邻石墨烯贴片之间的共振，在感应电流逐渐产生共振时，随着偏压电场强度的增加，电流密度在贴片的中间急剧增加，在边缘急剧减小。人工结构表面-双层直流连接根据所描述的技术方法，石墨烯人工结构表面设计为一个频率选择性表面。这里使用的是双层石墨烯

8、，中间为砷化镓介质层。性能对这层介质的依赖性很小。石墨烯电导率的增加导致反射光谱上尖锐共振的发生。该石墨烯双周期层构成的可控超薄多带滤波器工作在红外频率下。空间色散