[发明专利]基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件领域及太赫兹技术领域，涉及一种太赫兹辐射源，特别是涉及一种基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件。

背景技术

自从2004年曼彻斯特大学的Novoselov和Geim小组发现了单层石墨以来[K.S.Novoselov,A.K.Geim,S.V.Morozov,D.Jiang,Y.Zhang,S.V.Dubonos,I.V.Grigorieva,and A.A.Firsov,Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films,Science306,666(2004)]，石墨烯的研究引起了人们的广泛关注。石墨烯具有其他碳家族成员所不具备的独特的物理特性，如反常整数量子霍尔效应，本征石墨烯的有限电导，以及普适光电导等。利用这些有趣的物理特性，石墨烯可以用于新型光电器件的设计。

由于平面结构的单层石墨能够很容易地进行操纵与裁剪，并且与现有的大规模集成电路工艺技术有很高的兼容性，人们有望把未来的“芯片”刻蚀到石墨片上，这也使得石墨烯成为目前理论和实验研究的热门对象。目前实验室通过纳米加工技术研制出的带状单层石墨烯在宽度方向上的尺度处在纳米量级，因此被称作石墨烯纳米带。通过控制切割的方向和裁剪的尺度，石墨烯纳米带的边界可以裁剪成折线（zigzag）状或者扶椅（armchair）状等，从而改变石墨带的电子能带结构和电学性质。利用这些新奇的物理特性，人们可以研制出一些新型的纳米量子器件。可以说，石墨烯以及石墨烯纳米带的研究是当今科学技术研究的一个重要发展方向，他们将在基于石墨烯的光电器件研制方面得到广泛应用。

当前，太赫兹光电器件研究引起了人们的广泛兴趣。太赫兹电磁波在物理学、材料科学、医学成像、射电天文、雷达和宽带通信、尤其是卫星间通讯方面具有重要应用前景[B.Ferguson and X.C.Zhang,Materials for terahertz science and technology,Nature Materials1,26(2002)]。固态太赫兹振荡源和探测器是太赫兹技术应用的最关键器件，也是太赫兹技术研究领域的最前沿问题。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用。当前存在的太赫兹辐射源存在不同的应用瓶颈，限制了太赫兹技术的发展。石墨烯与太赫兹科学有着内在的必然联系，它的出现为人们开辟了一条研究新型太赫兹光电器件的途径。例如，当载流子浓度适中（10⁹-10¹²cm^-2）时，石墨烯内部的等离子体振荡频率就是在太赫兹频段，双原子层石墨烯或者外延生长的石墨烯可能成为半导体，其禁带宽度可以设计为0-0.3eV，正好覆盖太赫兹频段。太赫兹光谱学可以用来研究石墨烯和衬底之间的基本相互作用及其对电子输运特性的影响。

石墨烯具有很高的电子迁移率，基于石墨烯的两端器件有很短的渡越时间，因此石墨烯能够在高速和高频电子器件领域得到应用。目前，基于石墨烯的超高速电子器件包括场效应管和p-n结二极管等。最近，文献[V.Ryzhii,M.Ryzhii,and T.Otsuji,Negative dynamic conductivity of graphene with optical pumping,J.Appl.Phys.,101,083114(2007)]研究表明，在强烈的光泵浦条件下石墨烯有望实现粒子数反转，从而在太赫兹频率区域表现出绝对负电导特性。石墨烯载流子的线性能量色散关系以及零带隙特征使得石墨烯具有独特的单粒子性质和集群激发行为。文献[F.Rana,Graphene terahertz plasmon oscillators,IEEE Trans.Nanotechnol.7,91(2008)]的研究表明，等离子激元的受激辐射可以引起粒子数反转，从而在较宽的太赫兹（1-10THz）频段产生增益。他们通过研究发现，石墨烯等离子激元能够实现的太赫兹增益远远大于传统的半导体带间激光器。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯纳米带的太赫兹波产生器件，用于解决现有技术中太赫兹波器件不能有效实现太赫兹辐射、能实现的太赫兹增益较小的问题。