基于石墨烯/氮化硼异质结构的太赫兹调制器及制备方法与流程

1.本发明属于太赫兹波应用技术领域，涉及太赫兹波调制器及其制备方法，具体涉及一种基于石墨烯/氮化硼异质结构的太赫兹调制器及制备方法。
2.

背景技术：

3.太赫兹波（thz wave）是一种介于微波和红外光之间的电磁波, 在安全检查、高速通信、无损成像等领域具有巨大的应用前景。太赫兹波调制器是对太赫兹波的强度或者相位进行可控调制的电子器件，在很多太赫兹波技术中具有重要的作用。对于低速、宽频和低损耗的太赫兹波调制器应用，如太赫兹压缩感知成像所使用的太赫兹空间调制器，利用半导体（如硅，锗等）光生载流子的产生和复合的动态过程对太赫兹波进行调制是一个不错的选择。在激光照射时，大量光生载流子在半导体内部产生；而激光关断后，光生载流子发生快速复合。这个过程中，调制激光造成载流子浓度随时间的起伏，从而造成材料在太赫兹波段的复介电常数发生相应的随时间的改变。根据drude模型可以计算出由于半导体载流子浓度变化引起的材料的复介电常数的变化，从而造成的透射太赫兹波的强度和相位发生的变化。然而半导体中，激光激发的效率较低，造成对光调制深度较小，影响实际应用，目前迫切需要提高半导体对太赫兹波的光调制深度和速度。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于石墨烯/氮化硼异质结构的太赫兹调制器及制备方法，可以提高太赫兹波的光调制深度和速度。为实现上述目的，本发明提供了一种基于石墨烯/氮化硼异质结构的太赫兹调制器，所述太赫兹波调制器包括从下往上依次设置的p型硅衬底、氮化硼薄膜、石墨烯薄膜以及红外激光束。
5.优选地，所述氮化硼薄膜由六方氮化硼组成。
6.优选地，所述红外激光束输出的激光波长为600-1100nm。
7.优选地，所述p型硅衬底电阻率为10-30 ω
•
cm，所述p型硅衬底厚度为400-600μm。
8.优选地，所述石墨烯薄膜电阻率为100-3000ω
•
cm。
9.本发明还提供了一种基于石墨烯/氮化硼异质结构的太赫兹调制器制备方法，包括：步骤1：将电阻率介于10-30 ω
•
cm的单氧化层p型硅片（100）切割为10mm
×
10mm的方片，并依次用丙酮、酒精、去离子水在超声中清洗干净，使用氮气吹干,得到洁净硅片；步骤2：转移氮化硼薄膜：将由cvd法得到的带有氮化硼薄膜的铜基底剪裁为9mm
×
9mm大小，在生长有氮化硼薄膜的一面旋涂一层pmma，然后放入1mol/l的fecl3溶液中腐蚀铜基底，静置3小时后，观察到溶液表面漂浮一层透明状薄膜即（pmma），即证明腐蚀完成，将带氮化硼薄膜的pmma采用去离子水冲洗数次，并转移至步骤1得到的洁净p型硅基片上，最后使用丙酮去除氮化硼薄膜表面的pmma，完成氮化硼薄膜的转移；
步骤3：转移石墨烯薄膜：将cvd法得到的带石墨烯薄膜的铜基底剪裁为8mm
×
8mm 大小，在生长有石墨烯薄膜的一面旋涂一层pmma，然后放入1mol/l的fecl3溶液中腐蚀铜基底，静置5小时后，观察到溶液表面漂浮一层透明状薄膜即（pmma），即证明腐蚀完成，将带石墨烯薄膜的pmma采用去离子水冲洗数次，并转移至步骤2得到的氮化硼薄膜上，最后使用丙酮去除石墨烯薄膜表面的pmma，完成石墨烯薄膜的转移，即制备得基于石墨烯/氮化硼异质结构的太赫兹调制器。
10.应用本发明提供的一种基于石墨烯/氮化硼异质结构的太赫兹调制器及制备方法，太赫兹波调制器包括从下往上依次设置的p型硅衬底、氮化硼薄膜、石墨烯薄膜以及红外激光束，与常规石墨烯薄膜修饰的太赫兹调制器相比，氮化硼薄膜可以极大增加石墨烯薄膜的载流子迁移率，石墨烯/氮化硼异质结构与单层石墨烯修饰硅结构相比，具有远高于石墨烯修饰硅的载流子迁移率，在相同功率激光的照射下，以氮化硼作为绝缘层的太赫兹调制器内部载流子迁移率更高，通过氮化硼与石墨烯两者的共同作用，在红外光激光激励下提高太赫兹波的光调制深度和速度，对于太赫兹波的调制能力更强。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
12.图1为本发明实施例提供的一种基于石墨烯/氮化硼异质结构的光控太赫兹波调制器的结构示意图；图2为本发明实施例中，得到的太赫兹波调制器在波长为808nm的红外光激光激励下，以不同功率调制时，太赫兹波的透射率曲线；图3为本发明实施例中，得到的太赫兹波调制器在长为808nm的红外光激光激励下，以不同功率调制时，太赫兹波的调制速度。
具体实施方式
13.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
14.实施例一：本发明实施例提供了一种基于石墨烯/氮化硼异质结构的光控太赫兹波调制器，图1示出了本发明实施例基于石墨烯/氮化硼异质结构的光控太赫兹波调制器的结构示意图，包括从下往上依次设置的p型硅衬底1、氮化硼薄膜2、石墨烯薄膜3以及红外激光束4；在调制过程中，太赫兹波均从石墨烯薄膜3一侧垂直入射，探测器在p型硅衬底1另一侧接收；光学调制时，红外激光束4以一定角度(45
°
角)入射到石墨烯薄膜一侧，实现光学调制。氮化硼薄膜由于其较大的禁带宽度和较小的厚度，让氮化硼薄膜的引入将进一步有效的分离光生的电子和空穴，阻止他们的复合，从而提高稳态时硅中和石墨烯中的载流子浓
度，获得比石墨烯修饰的硅更大的光调制深度。
15.作为一种具体的实施方式，氮化硼薄膜2可由六方氮化硼组成。
16.单层六方氮化硼有着白色石墨烯之称，其作为带隙为5.97ev的绝缘材料，具有原子级的平坦表面，极低的粗糙度，表面无悬挂键，和石墨烯呈现较弱范德华力作用等特点。以六方氮化硼作为石墨烯器件衬底，对于石墨烯载流子的输运性能影响极小，它与石墨烯的晶格失配度仅有1.7%，其对于石墨烯没有掺杂效应，在氮化硼基底上的石墨烯可以实现很高的迁移率。
17.作为一种具体的实施方式，所述红外激光束4输出的激光波长为700-1000nm。
18.作为一种具体的实施方式，所述p型硅衬底1电阻率为10-30 ω
•
cm，所述p型硅衬底厚度为400-600μm。
19.作为一种具体的实施方式，所述石墨烯薄膜3电阻率为100-3000ω
•
cm。
20.应用本发明提供的一种基于石墨烯/氮化硼异质结构的太赫兹调制器，太赫兹波调制器包括从下往上依次设置的p型硅衬底、氮化硼薄膜、石墨烯薄膜以及红外激光束，与常规石墨烯薄膜修饰的太赫兹调制器相比，氮化硼薄膜可以极大增加石墨烯薄膜的载流子迁移率，石墨烯/氮化硼异质结构与单层石墨烯修饰硅结构相比，具有远高于石墨烯修饰硅的载流子迁移率，在相同功率激光的照射下，以氮化硼作为绝缘层的太赫兹调制器内部载流子迁移率更高，通过氮化硼与石墨烯两者的共同作用，在红外光激光激励下提高太赫兹波的光调制深度和速度，对于太赫兹波的调制能力更强。
21.实施例二：本发明实施例提供了一种基于石墨烯/氮化硼异质结构的光控太赫兹波调制器制备方法，太赫兹波调制器采用以下步骤制备得到：步骤1、将正面氧化层厚度为100nm、电阻率介于10-30 ω
•
cm的单氧化层p型硅片（100）切割为10mm
×
10mm的方片，并依次用丙酮、酒精、去离子水在超声中清洗干净，使用氮气吹干,得到洁净硅片；步骤2、转移氮化硼薄膜：将由cvd法得到的带有氮化硼薄膜的铜基底剪裁为9mm
×
9mm大小，在生长有氮化硼薄膜的一面旋涂一层pmma，然后放入1mol/l的fecl3溶液中腐蚀铜基底，静置3小时后，观察到溶液表面漂浮一层透明状薄膜即（pmma），即证明腐蚀完成，将带氮化硼薄膜的pmma采用去离子水冲洗数次，并转移至步骤1得到的洁净p型硅基片上，最后使用丙酮去除氮化硼薄膜表面的pmma，完成氮化硼薄膜的转移；步骤3、转移石墨烯薄膜：将cvd法得到的带石墨烯薄膜的铜基底剪裁为8mm
×
8mm 大小，在生长有石墨烯薄膜的一面旋涂一层pmma，然后放入1mol/l的fecl3溶液中腐蚀铜基底，静置5小时后，观察到溶液表面漂浮一层透明状薄膜即（pmma），即证明腐蚀完成，将带石墨烯薄膜的pmma采用去离子水冲洗数次，并转移至步骤2得到的氮化硼薄膜上，最后使用丙酮去除石墨烯薄膜表面的pmma，完成石墨烯薄膜的转移；即制备得基于石墨烯/氮化硼异质结构的太赫兹调制器。
22.应用本发明提供的一种基于石墨烯/氮化硼异质结构的太赫兹调制器制备方法，制备得到太赫兹波调制器包括从下往上依次设置的p型硅衬底、氮化硼薄膜、石墨烯薄膜以
及红外激光束，与常规石墨烯薄膜修饰的太赫兹调制器相比，氮化硼薄膜可以极大增加石墨烯薄膜的载流子迁移率，石墨烯/氮化硼异质结构与单层石墨烯修饰硅结构相比，具有远高于石墨烯修饰硅的载流子迁移率，在相同功率激光的照射下，以氮化硼作为绝缘层的太赫兹调制器内部载流子迁移率更高，通过氮化硼与石墨烯两者的共同作用，在红外光激光激励下提高太赫兹波的光调制深度和速度，对于太赫兹波的调制能力更强。
23.基于石墨烯/氮化硼异质结构的太赫兹调制器测试结果如下：图2为本发明实施例得到的太赫兹波调制器在波长为808nm的红外光激光在不同功率调制下，太赫兹波的透射率曲线。由图2可知，当激光功率为 100 mw 时，石墨烯修饰的硅的太赫兹波平均透射率为 48%，相比于无光照条件下的静态调制深度为14%。石墨烯/氮化硼异质结修饰的硅的太赫兹波平均透射率为 40%，调制深度为27%。因此在100mw激光照射下，氮化硼层的引入将比石墨烯修饰的硅的太赫兹波的静态调制深度提高了约1倍。当激光功率为 300 mw 时，石墨烯修饰的硅的太赫兹波平均透射率为 37%，对应于无光照时的调制深度为32%。而石墨烯/氮化硼异质结修饰的硅的太赫兹波平均透射率为 25%,调制深度为55%，静态调制深度较石墨烯修饰的硅提高了约70%。 当激光功率为 500 mw，经石墨烯修饰的硅的太赫兹波平均透射率为25%，调制深度为55%。而石墨烯/氮化硼异质结修饰的硅的太赫兹波平均透射率为 13%，调制深度为76%，静态调制深度提高约40%。可见氮化硼层的引入，将提高石墨烯修饰的硅的调制深度，特别是在较小激光功率的作用下，增强效果最明显。氮化硼薄膜由于其较大的禁带宽度和较小的厚度，让氮化硼薄膜的引入将进一步有效的分离光生的电子和空穴，阻止他们的复合，从而提高稳态时硅中和石墨烯中的载流子浓度，获得比石墨烯修饰的硅更大的调制深度图3为本发明实施例得到的太赫兹波调制器在波长为808nm的激光在不同功率调制下，太赫兹波的调制速度曲线：由图3可知，当激光功率为100mw时，石墨烯/氮化硼异质结修饰的硅的调制速度为15khz,且在6khz以下，调制太赫兹波的幅值衰减较小。而以石墨烯修饰的硅对太赫兹波的调制速度为11khz，且随频率增加，其幅值一直减小。当激光功率为300mw时，石墨烯/氮化硼异质结修饰的硅的调制速度仍为15khz, 而以石墨烯修饰的硅的调制速度降低为9khz。当激光功率为500mw时，石墨烯/氮化硼异质结修饰的硅的调制速度略降低为13khz, 而石墨烯修饰的硅对太赫兹波的调制速度降低为7khz。由此可知，在相同功率激光的激励下，石墨烯/氮化硼异质结修饰的硅较石墨烯修饰的硅对太赫兹波的调制速度较快，且随着激光功率的增加，石墨烯/氮化硼异质结修饰的硅的调制速度衰减程度较小。这里石墨烯/氮化硼异质结修饰的硅具有较快的调制速度，可能是由于在氮化硼上，石墨烯具有更大的载流子迁移率。当激光撤去以后，在硅中累积的光生载流子可以在石墨烯进行更快的复合。
24.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。