论文部分内容阅读
电感是射频电路中必不可少的元件。石墨烯的迁移率极高、电流承受密度高和热导率高，而且趋肤效应可忽略，可直接利用硅基微/纳加工技术对其进行加工，故石墨烯是取代金属用于构建无源器件的重要候选材料。本论文主要研究石墨烯电感的关键技术及其性能，为探索高性能石墨烯电感提供奠定实验基础。 本论文首先介绍电感的理论基础，重点分析了金属和石墨烯电感的电感值和品质因素的计算思路和公式，并对铜电感和石墨烯电感进行了HFSS仿真。铜电感中，其电感值随线圈的间距或厚度减小而增大、随线圈的宽度增加而增大。模拟了线圈厚度分别为2μm、1μm、100nm和10nm的石墨电感。当石墨厚度为2μm和1μm时，与金属电感相比，电感值相近，品质因数Q明显降低。对于厚度100nm以下的石墨烯电感，仿真的电感值为负，此表明HFSS软件并不适合模拟石墨烯电感。对金属和石墨电感的上述模拟不一定可靠，仅供石墨烯电感的设计和测试时参考。 本论文利用机械剥离高取向裂解石墨(HOPG)和在铜箔表面进行化学气相沉积(CVD)制备了石墨烯薄膜。其面积分别为:20μm×80μm(来自HOPG)、1cm×1cm(来自CVD)，并利用光学显微镜、Raman光谱仪、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)等表征了其形貌和层数。 本论文以平面螺旋为例，对石墨烯电感的结构进行了参数设计;重点研究了制备石墨烯电感的工艺流程，探讨了制备工艺中所遇问题。利用电子束光刻和氧等离子体刻蚀成功制备了各种尺寸和形状的石墨烯电感。石墨烯电感的直流电阻随着结构的不同，其电阻值在70kΩ～150kΩ范围，通过退火和增加石墨烯层数可进一步降低其电阻。本文实测的石墨烯电感样品中，电感值约在0.17nH，品质因数Q的最大值为2.5，所对应的频率为15GHz，自谐振频率大于40GHz，需指出的是，因实测的交流电阻却远小于直流测试时的电阻值，测试结构可能出现问题，石墨烯电感的性能有待进一步的测试和验证。对测试中出现的一些明显异常情况，本文已进行了初步分析，并提出了后续实验需改进的措施，最后提出了利用石墨烯包覆的铜带来制备新型电感的设想。