【摘 要】
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石墨烯以其高透光性、高导电性和高稳定性等优异特性在毫米波-太赫兹器件和光电子器件中展现出广阔的应用前景。特别地,通过外加电压或者掺杂的方法可以在一定范围内改变石墨烯的化学势（费米能级）,为器件性能的调谐及优化提供了一条便捷途径。本论文基于石墨烯及其复合结构,设计、制备出若干新型太赫兹和光电子器件,并通过调整石墨烯的化学势实现了器件性能的调控和优化。主要研究成果如下:一、基于石墨烯的可调太赫兹器件（
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石墨烯以其高透光性、高导电性和高稳定性等优异特性在毫米波-太赫兹器件和光电子器件中展现出广阔的应用前景。特别地,通过外加电压或者掺杂的方法可以在一定范围内改变石墨烯的化学势（费米能级）,为器件性能的调谐及优化提供了一条便捷途径。本论文基于石墨烯及其复合结构,设计、制备出若干新型太赫兹和光电子器件,并通过调整石墨烯的化学势实现了器件性能的调控和优化。主要研究成果如下:一、基于石墨烯的可调太赫兹器件（1）设计出一种新型的双波束天线,该结构由石墨烯偶极子与两侧的寄生石墨烯条带组成。其中偶极子石墨烯的化学势主要影响天线的工作频率,在一定范围内天线的工作频率随着偶极子石墨烯化学势的增大而增大。而寄生石墨烯的化学势高低主要影响天线的波束方向。在两条寄生石墨烯中,化学势高的石墨烯条带对偶极子产生的辐射具有反射作用;而化学势为0 eV的石墨烯条带对偶极子产生的辐射没有影响。该天线的波束可以在±90°两个方向间灵活切换。通过对上述天线进行简单的结构变换,可以得到六波束天线,波束方向能够在±30°、±90°、±150°间灵活切换。此外,还以经典的八木天线为原型设计了双波束天线,该天线的波束也可实现±90°两个方向间的灵活切换,但很难通过简单的结构变换将其拓展为六波束天线。（2）制备出石墨烯双频天线,验证了石墨烯在可调谐天线应用中的可行性。该天线由石墨烯辐射体及金属共面波导结构组成,工作在28.1 GHz和37.4 GHz两个频段。通过对石墨烯施加直流偏置电压,实现了对天线S11参数的调控。当直流电压从-70 V逐渐变为+70 V时,天线在28.1 GHz处的S11参数可以在-27.79 dB到-23.59 dB范围内变化;而在37.4 GHz处的S11参数可以在-13.65 dB到-16.10 dB范围内变化。（3）设计出基于石墨烯复合结构的太赫兹负折射率超材料。超材料由金属谐振结构及嵌入其中的石墨烯组成。当石墨烯的化学势为0 eV时,超材料在4.26 THz频段呈现负折射特性;当石墨烯的化学势增大为0.5 eV时,其负折射频段切换至4.28 THz。在微带天线上方加载单层超材料以后,在石墨烯化学势为0 eV时,天线的波束倾斜角度从0°变为8°;在石墨烯的化学势为0.5 eV时,天线的波束倾斜角度变为1 1°。此外,通过增加超材料的层数,可以进一步拓展倾斜角度。（4）设计出基于石墨烯复合结构的太赫兹频率选择表面。该结构由卷曲金属谐振条带及镶嵌在条带之间的石墨烯组成,尺寸仅为工作波长的11.7%。工作频率可以在1.76 THz～2.56 THz范围内调节,且呈现优异的带阻特性。在双传输线结构和两天线阵列结构中分别加载该频率选择表面,可以使传输线各端口之间和天线单元之间的隔离度分别提高6.9 dB和16.5 dB。二、石墨烯/半导体纳米线肖特基结光电转换器件（1）首次制备出石墨烯/单根GaAs纳米线肖特基结光电转换器件。由于石墨烯与GaAs纳米线在功函数上的差异,结区形成了较强的内建电场,促进了光生载流子的快速有效分离,器件呈现良好的光电特性。在532 nm激光照射下,器件零偏压时的响应度为231 mA/W,探测率为1.60×109 cm Hz1/2/W,响应/恢复时间为85/118μs。在标准太阳光AM 1.5G照射下,器件开路电压为75.0 mV,短路电流密度为425 mA/c2,光伏效率达到8.8%,在同类器件中处于领先水平。（2）通过改变石墨烯的化学势实现了对石墨烯/纳米线肖特基结器件性能的调制及优化。采用硝酸对石墨烯进行化学掺杂,器件的肖特基势垒从0.29 eV增大到0.35 eV。在532 nm激光照射下,器件探测率从 2.10×109 cm Hz1/2/W 提升到 1.0×1010 cm Hz1/2/W,响应/恢复时间从42/140 μs变为20/128 μs。在标准太阳光AM 1.5G照射下,器件的光伏效率提升到15.88%。此外,对石墨烯施加适当的栅极偏压也实现了肖特基势垒的增加,器件性能相应得到较大提升。
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