【摘要】：太赫茲波是介于紅外與微波或毫米波之間的頻譜范圍,太赫茲科學(xué)技術(shù)在物理成像、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)、軍事等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來,基于雙層石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的共振隧穿機制以及等離子體振蕩在太赫茲方面的應(yīng)用引起了人們的興趣。本文運用隧穿理論中的巴丁傳輸哈密頓方法、流體動力學(xué)方程與泊松方程的耦合模型,利用具有高電子遷移率和柵極調(diào)控溝道的二維電子/空穴等離子體的雙層石墨烯晶體管對稱異質(zhì)結(jié)構(gòu),激發(fā)等離子體波振蕩,實現(xiàn)太赫茲波段的調(diào)制和探測是我們研究的目的。論文主要的研究內(nèi)容和結(jié)論包括:第一,我們利用電荷守恒結(jié)合石墨烯量子電容,以及兩層石墨烯狄拉克點在同一水平線的條件,推導(dǎo)出石墨烯準(zhǔn)費米能級與柵電壓的關(guān)系式。研究石墨烯-勢壘-石墨烯三明治結(jié)構(gòu)非線性電流電壓特性,特別是對雙層石墨烯產(chǎn)生共振隧穿電流及其附近的電流分布進行討論,討論了穩(wěn)恒直流下產(chǎn)生的等離子體波速以及共振等離子體特征頻率的關(guān)系,并加入了小信號模型,推導(dǎo)雙層石墨烯共振隧穿結(jié)構(gòu)下的動態(tài)負(fù)微分電導(dǎo)關(guān)系。第二,設(shè)計了雙層石墨烯晶體管結(jié)構(gòu),通過計算分析,確定了勢壘層近似兩個原子層的厚度0.5 nm,這一結(jié)果同時也得到相關(guān)理論研究的支持。以高介電常數(shù)材料作為柵氧化層,以六方氮化硼作為勢壘層。在直流共振隧穿機制下,器件的電流開關(guān)比ion/ioff可以達(dá)到106以上。其次,重點研究了在特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)和小信號模式下,器件產(chǎn)生的動態(tài)負(fù)微分電導(dǎo)分布。計算結(jié)果表明,當(dāng)載流子碰撞頻率達(dá)到特定頻率時,可以獲得比較明顯的負(fù)微分電導(dǎo)峰值。通過調(diào)節(jié)柵電壓準(zhǔn)費米能級的位置,準(zhǔn)費米能級越小,在確定的結(jié)構(gòu)下獲得負(fù)微分電導(dǎo)峰值越高,但相應(yīng)的共振等離子體特征頻率較小。同時改變載流子碰撞頻率以及準(zhǔn)費米能級的位置,可以改善負(fù)微分電導(dǎo)的分布,在較高的石墨烯碰撞頻率以及準(zhǔn)費米能級中獲得更明顯的負(fù)微分電導(dǎo)峰值。改變石墨烯相干長度的大小,可以在較短的長度下獲得尖銳的負(fù)電導(dǎo)峰值,同時還可以提高等離子體波產(chǎn)生的太赫茲頻率。負(fù)微分電導(dǎo)的產(chǎn)生可以激發(fā)溝道的等離子體波,增強等離子體振蕩,減小朗道衰減,實現(xiàn)對太赫茲頻率探測放大以及輻射放大。第三,采用天線結(jié)構(gòu)將電磁波信號頻率作為器件源漏兩端入射頻率,使得器件兩端感生交流信號激發(fā)等離子體波,并使得石墨烯溝道內(nèi)產(chǎn)生的等離子體波與外來電磁輻射的入射頻率產(chǎn)生共振效應(yīng),增強等離子體振蕩,最終達(dá)到探測的目的。計算結(jié)果表明,對于固定的結(jié)構(gòu)參數(shù),在足夠小的溝道載流子碰撞頻率下,可以獲得尖銳的響應(yīng)率最大峰值,響應(yīng)率甚至可以超過直流共振隧穿下的特征響應(yīng)率,響應(yīng)率最高可以達(dá)到107v/w。在不同石墨烯相干長度下探測器響應(yīng)率隨信號頻率的變化情況,表明了在一定范圍內(nèi)增加長度,其峰值減小幅度不大。適當(dāng)增加?xùn)艠O電壓,可以獲得對外來信號探測更為明顯的響應(yīng)率�？偟膩碚f,通過我們設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù),計算在入射頻率下的太赫茲探測響應(yīng)率可以達(dá)到105 V/W以上,說明了雙層石墨烯隧穿異質(zhì)結(jié)在太赫茲探測方面有著潛在的發(fā)展前景。此外,基于石墨烯等離子體與光子的耦合形成表面等離子體激元,我們還研究了在太赫茲電磁波輻射下,仿真器件對光波的吸收透過率。仿真結(jié)果可以適當(dāng)?shù)靥岣吖獾奈章?表明了該三明治結(jié)構(gòu)式器件在光探測以及調(diào)制方面的潛在應(yīng)用。
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【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN386

【參考文獻】

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本文編號：2330953