本發(fā)明涉及太赫茲光電器件技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種自相似天線耦合的基于石墨烯的太赫茲輻射源，通過加偏置電壓的同時(shí)，運(yùn)用超短激光脈沖泵浦石墨烯產(chǎn)生輻射并由反分形太赫茲天線耦合到自由空間來實(shí)現(xiàn)輻射。

背景技術(shù)：

太赫茲波頻段處于微波和紅外線之間，因其瞬態(tài)性、低能性、穿透性、高帶寬以及不會(huì)產(chǎn)生有害生物電離的安全性等獨(dú)特性能在生物分子監(jiān)測(cè)、國(guó)家安全、醫(yī)療診斷，微電子無損檢測(cè)、安檢等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。長(zhǎng)期以來，由于一直缺乏低能耗、低噪且穩(wěn)定有效的太赫茲輻射以及探測(cè)的方法，這一具有獨(dú)特性能的波段一直沒有得到充分的開發(fā)和利用。目前使用較多的太赫茲發(fā)射源主要是基于半絕緣體砷化鎵GaAs光電導(dǎo)層，耦合領(lǐng)結(jié)形、蝶形、螺旋形等光電導(dǎo)天線，及在此基礎(chǔ)上做出的相應(yīng)改進(jìn)。例如，專利 [CN104167656A 一種太赫茲光導(dǎo)天線及其制作] 公開了一種經(jīng)過改良的基于Si-GaAs光電導(dǎo)層耦合領(lǐng)結(jié)形天線的太赫茲輻射源。

石墨烯是近年來發(fā)現(xiàn)的一種新型材料，其獨(dú)特的碳單層二維晶體結(jié)構(gòu)使其具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，是現(xiàn)有已知的最輕薄、最堅(jiān)硬的材料，同時(shí)又擁有出色的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能。石墨烯優(yōu)異的電學(xué)性能主要是基于其高載流子密度，而且在激光或電磁波的輻射下，石墨烯內(nèi)部的電子遷移能形成位于太赫茲頻率附近的震蕩電流。這些都使得石墨烯代替GaAs光導(dǎo)層輻射源，產(chǎn)生分辨率更高、能耗更低、輻射功率更強(qiáng)的太赫茲輻射源成為了可能。

分形理論是上世紀(jì)末出現(xiàn)的一種新興理論，自然界中很多形態(tài)都具有分形特征，例如樹枝、樹葉、山脈、雪花等。分形具有兩大重要特征：自相似性及空間填充性（分?jǐn)?shù)維）。自相似性是指適當(dāng)?shù)姆糯蠡蚩s小幾何尺寸，幾何結(jié)構(gòu)并不改變，在各種尺度上都有相似程度的不規(guī)則性；分?jǐn)?shù)維能夠使分形在很小的體積內(nèi)充分利用空間，為小型天線設(shè)計(jì)提供了方案，還使其具有頗為吸引人的多頻點(diǎn)和寬帶特性。目前采用分?jǐn)?shù)維1.585的Sierpinski分形微帶天線的研究很多，但是由于Sierpinski分形三角形缺失的大小不均勻性，對(duì)太赫茲的光導(dǎo)性能并不能得到最大的發(fā)揮。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于石墨烯發(fā)射源和耦合反分形天線的太赫茲輻射源發(fā)生器，能夠降低功耗、提高太赫茲輻射功率，解決現(xiàn)有技術(shù)中不能有效穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)太赫茲輻射以及增益較小的問題。

一種基于石墨烯發(fā)射源和耦合反分形天線的太赫茲輻射源發(fā)生器，包括石墨烯膜和天線，天線的兩端設(shè)有條狀電極，電極之間加有偏置電壓，通過飛秒脈沖激光泵浦石墨烯膜，激發(fā)石墨烯中的電子運(yùn)動(dòng)，在偏置電壓的作用下輻射出太赫茲波，該太赫茲波通過光電導(dǎo)天線與自由空間耦合。

優(yōu)選的，所述石墨烯以化學(xué)氣相沉積法（CVD）制備并轉(zhuǎn)移到襯底上，所述襯底包括SiO₂、SiC、Si₃N₄、Al₂O₃、HfO₂、Ta₂O₅、BN和類金剛石中的一種。

優(yōu)選的，所述天線及電極材料通過光刻蝕之后用磁控濺射的方法一體成型，材料包括但不限于Au、Ag、Cr、Pt，厚度為100~300nm。

優(yōu)選的，所述天線由兩個(gè)Sierpinski三角形二次迭代分形的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)組成，相隔3-5 μm對(duì)稱放置于石墨烯膜上，兩個(gè)正三角頂角向外張開角度為60°，頂角部分放置在石墨烯上，使頂角連線的中心與石墨烯膜的中心重合。為使光導(dǎo)區(qū)域連續(xù)，分形互補(bǔ)結(jié)構(gòu)加有正三角形外框，邊長(zhǎng)約為2~3 μm，兩端電極寬約為5-10μm，長(zhǎng)約70~80μm。

優(yōu)選的，所述石墨烯膜為正方形，邊長(zhǎng)在15~20μm之間。也可以為長(zhǎng)方形，原則是能讓其上的天線與其搭接，以起到加載偏置電壓以及更好耦合太赫茲波的作用。

優(yōu)選的，采用脈沖激光以重復(fù)頻率80MHz，脈沖寬度10fs，中心波長(zhǎng)800nm，單脈沖能量60mW，垂直入射在天線之間的石墨烯膜上。所述直流偏置電壓為0.2~1V。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

在介電材料上用石墨烯作為太赫茲發(fā)射源，充分利用了石墨烯的高電子遷移率及在激光輻射以及偏置電壓的作用下易產(chǎn)生太赫茲波的特性，有效降低功耗、提高輻射功率。另一方面，通過Sierpinski三角分形的互補(bǔ)幾何機(jī)構(gòu)作為耦合太赫茲波的天線，利用反Sierpinski分形結(jié)構(gòu)中大小均勻且尺寸小于太赫茲波長(zhǎng)的小三角孔，使其對(duì)太赫茲波的光導(dǎo)作用充分提升，進(jìn)一步提高增益，降低傳播損耗。

本發(fā)明在較低的偏置電壓及脈沖能量下，能夠輻射出覆蓋范圍較寬的太赫茲頻段。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有低功耗、工藝簡(jiǎn)單、成本低，并且有效提高了太赫茲輻射功率及天線增益，具有較高的市場(chǎng)化價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于石墨烯的太赫茲發(fā)生器的平面圖

圖2為本發(fā)明的基于石墨烯的太赫茲發(fā)生器的剖面示意圖

圖3為太赫茲發(fā)生器發(fā)射的太赫茲頻譜圖

元件標(biāo)號(hào)說明

1 Si基底

2 襯底

3 石墨烯膜

4 天線

5 電極

6 直流偏置電壓

7 飛秒脈沖激光

具體實(shí)施方式

以下通過結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，在Si基底1上生成襯底2，將石墨烯膜3轉(zhuǎn)移到襯底2上，在石墨烯膜3上沉積天線4和兩端的條狀電極5，電極5之間加有偏置電壓6，通過飛秒脈沖激光7泵浦石墨烯膜3，激發(fā)石墨烯中的電子運(yùn)動(dòng)，在偏置電壓6的作用下輻射出太赫茲波，該太赫茲波通過天線4與自由空間耦合。

如圖2所示，L1為兩個(gè)Sierpinski三角形二次迭代分形的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)稱放置于石墨烯膜上的相隔距離，L2為石墨烯膜邊長(zhǎng)，L3為分形互補(bǔ)結(jié)構(gòu)正三角形外框的邊長(zhǎng)，L4為兩端電極寬度，L5為兩電極長(zhǎng)度。

具體實(shí)施例：一種基于石墨烯和耦合反分形天線的太赫茲發(fā)生器。

在Si基底上生成襯底，襯底材料會(huì)對(duì)石墨烯的性質(zhì)有一定影響，例如，石墨烯生長(zhǎng)在SiO₂襯底上時(shí)，由于SiO₂襯底的光學(xué)聲子對(duì)電子的散射比石墨烯本身對(duì)電子的散射要強(qiáng)很多，導(dǎo)致其電子遷移率降低。本實(shí)施例中的襯底優(yōu)選為ALD法生成的厚度為200nm的HfO₂，以提高石墨烯電子遷移率。

將石墨烯膜以CVD法制備并轉(zhuǎn)移到襯底上，得到厚度為2層的正方形（15×15μm）石墨烯膜。太赫茲天線和兩端的條狀電極通過光刻蝕一體成型后，通過磁控濺射法沉積金屬（本實(shí)施例中選用厚度為100nm 的Au）在石墨烯膜上。

電極之間加有0.8V的偏置電壓，采用鈦寶石再生放大器以重復(fù)頻率80MHz放大后獲得脈寬為10fs，單脈沖能量60mW的飛秒脈沖激光，通過飛秒脈沖激光泵浦石墨烯膜，激發(fā)石墨烯中的電子運(yùn)動(dòng)，在偏置電壓的作用下輻射出太赫茲波，該太赫茲波通過光電導(dǎo)天線與自由空間耦合。

天線為Sierpinski三角分形的互補(bǔ)幾何結(jié)構(gòu)，兩個(gè)正三角頂角相隔5μm，向外張開角度為60°，兩天線的頂角部分放置在石墨烯上，使頂角連線的中心與石墨烯膜的中心重合。為了使光導(dǎo)區(qū)域連續(xù)，對(duì)其加了一個(gè)2μm寬的三角框，三角形邊長(zhǎng)為52μm。而且每個(gè)鏤空三角邊長(zhǎng)均縮小了1μm。如此，天線中鏤空的三角形大小一致，且都小于太赫茲波的波長(zhǎng)，可以提高其光導(dǎo)性能。兩端電極寬10μm，長(zhǎng)70μm。

使用太赫茲時(shí)域光譜儀對(duì)本實(shí)施例中太赫茲發(fā)生器所輻射的太赫茲電磁波進(jìn)行測(cè)試，其頻譜圖如附圖3所示。太赫茲電磁波范圍是0.38~0.78THz，峰值發(fā)射頻率為0.6THz。