石墨烯太赫兹纳米器件综述教学内容

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。
石墨烯表面等离子体激元的优点有可调谐性，低损耗 性和极端约束模式等。
在ON状态下，整个主机波导具有相同的传播特性，并 且设备表现为从入射端到输出端传输等离激元的过程 。在OFF状态，中央波导的导向性被修改为输入端口 和输出端口之间的隔离状态。
建模
石墨烯是一种单原子厚的无带隙半导体，可由复杂的表面电导率 来表征，此电导率可由Kubo公式来描述，并且主要取决于μc，它 可以通过改变材料的初始掺杂或通过施加外部静电场来控制，其 中Γ为光学散射率。
石墨烯在最小导电率 损耗
时不会引入明显的太赫兹波的插入
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。
（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。
(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，，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
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。
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（Drudelike）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。
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，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。空间色散的影响 可以忽略不计。
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。二维平面结构可弯曲，可 形成碳纳米管，富勒烯等。
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]-[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%
两个谐振频率下的总电场幅度值（a）11.3THz（b）20.0THz。上 部分是无偏置状态，下部分是电偏置石墨烯表面电场强度是 E0=2.2V/nm。
等离子开关
等离子开关的应用原理是通过石墨烯电场效应选择性 的实现启用或者禁止石墨烯条形波导的截面传播，从 而实现良好的传输或者高阻态状态。等离子体的应用 基于石墨烯表面等离子体激元的传播，即电磁波沿金 属（或半导体）和电介质之间的界面传播。
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%