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1、石墨烯的特性及其调制方法1引 言太赫兹波（THz） 是频率在0. 1 THz到10 THz的电磁波，在电磁波谱上介于微波和红外波段之间，处于电子学向光子学的过渡领域。近年来，由于太赫兹波所具有的独特的性质，如宽带性、低能量性、相干性等，太赫兹波受到了人们越来越多的关注，因而在前沿科学研究与新技术应用等诸多领域中扮演着引人注目的角色1-4,例如生物、医学、药物检测、半导体材料特性表征、国土安全检查、太赫兹通讯和太赫兹雷达等5.但是在太赫兹波发展的初期，由于太赫兹源、功能器件、探测器件的短缺，这一波段曾被人们称为太赫兹空隙;.近年来，随着太赫兹技术水平的不断进步，人们已经从光学和电子学角度分别获得
2、了较成熟的太赫兹源和太赫兹探测器，如基于光学方法的相干太赫兹源包括气体激光器、自由电子激光器、量子级联激光器、光电导天线、光学整流、半导体表面电场发射以及光致丹倍效应发射6等，其中太赫兹时域光谱技术已经逐步从实验室走向实际应用，如飞机和汽车的喷漆测量、半导体无损探伤等； 另外，从电子学方面向太赫兹波段的发展来自于微波技术向短波方向的发展。包括返波管、耿氏振荡器、雪崩传输时间二极管、半导体异质结高迁移率电子晶体管、非线性传输线6等，上述基于电子学的太赫兹技术大多和微电子技术兼容，近年来也已经发展的比较成熟，如人体安检、毫米波雷达等。由此，太赫兹功能器件是继太赫兹源和探测技术之后最亟待解决的关键技
3、术之一，是构建太赫兹应用系统的核心。低损耗、高效传输调制和快速响应太赫兹功能器件的匮乏已成为太赫兹技术走向实际应用的瓶颈问题。其中，太赫兹调制器是多种应用系统的核心器件，如太赫兹通信系统，太赫兹传感系统等。目前，在太赫兹的调制器件上，仍有着比较大的缺口，并且随着应用范围的不断拓展，对调制器件也提出了进一步的要求。所谓调制器件，就是指能够控制振幅、相位和偏振态等特性的功能结构或器件。合理运用调制器件，可以有效地降低太赫兹系统的复杂度、成本、几何尺寸等。这些器件的种类繁多，近些年来，有文献报道了多种基于不同材料和结构的太赫兹调制器，如量子阱、半导体超晶格、光子晶体和超材料的太赫兹调制器等。无论采用
4、什么方式，我们都希望器件能够拥有较大的调制深度，非常快的调制速度以及较宽的调制带宽，但是在实际情况中，这些往往是不能够同时实现的。因此，人们也在不断探索能够应用于太赫兹波调制的新型材料。超材料、石墨烯等材料逐渐体现出了在太赫兹调制领域所具有的巨大潜力，成为人们研究的热点。利用超材料所制作的调制器件，拥有许多自然界材料所不具有的调制特性，因此是未来发展的重要方向。然而，许多这类结构7-9却有着明显的局限性，很多结构都无法实现太赫兹波的动态调制，只能通过结构几何参数的变化来改变对于太赫兹波的调制，这在很大程度上限制了其实际应用。为了实现太赫兹波的动态调制，科学家们也开始着眼于可调超材料的研究，并取
5、得了一定的成果。在原理上可以将太赫兹波段的可调超材料分为两大类10-11: 一类是主动控制超材料结构的可重构超材料，最典型的就是基于微机电系统（MEMS） 的可重构超材料12,但是这一方法受到加工工艺水平的限制，在材料稳定性等方面还有很大提高空间； 第二类是基于活性媒质的混合超材料，利用活性媒质的光电性质会随着外加光、电、热等刺激而变化的特性，实现可调的太赫兹超材料13-14,典型的活性媒质有半导体、相变材料、液晶等。然而，由于这些材料本身有着容易受温度变化影响或性质变化范围较小的局限性，并不能完全达到人们对主动调制范围、稳定性和速度等要素的要求，因此探索实现可调超材料的新方法、新材料仍然是一
6、个具有挑战性的课题。与之前的可调超材料相比，石墨烯超材料具有调制方便、调制范围较大等优势。因此，利用石墨烯和超材料的混合结构来实现太赫兹波的动态调制成为优先发展方向，并且已经取得了许多令人瞩目的成果15-17.2石墨烯的特性及调制石墨烯是一种由碳原子构成的二维结构，每一个碳原子都为SP2杂化，并且均提供一个p轨道上的电子形成一个大π键，由于π键中的电子是可以自由移动的，因此石墨烯具有良好的导电性。自2004年被发现以来，石墨烯作为一种新型的二维材料，吸引了物理学家，工程师和材料学家的广泛关注，这是因为石墨烯具有独特的机械、热学、电磁学性质，其在电磁学上的特性也为我们利用石墨来烯调制
7、太赫兹波提供了可能。石墨烯的碳原子排列方式，决定了其具有独特的圆锥状的能带结构，如图1所示。这一能带结构使得石墨烯具有许多其他材料所不具 有 的 性 质，包 括 常 温 下 的 量 子 霍 尔 效应18、可调节的薄层电导率19、很小的载流子等效质量、非常大的平均自由程等20,因此无论是空穴还是自由电子，在石墨烯中均具有非常大的载流子迁移率，其数值远远超过半导体，甚至大部分的金属。因此石墨烯在高速电子器件中有着非常大的发展潜力。在光电器件中，石墨烯的薄层电导率是一个非常重要的参数，一般来说石墨烯的电导率由电子的带内跃迁和带间跃迁两部分贡献。在可见光和近红外波段，光子能量较高，超出电子带间跃迁的阈值，此时的电导率由带内跃迁和带间跃迁共同决定； 在太赫兹和远红外等低频段，光子能量较小，即费米能级。时，电子的带内跃迁起到决定性因素，因此我们可以忽略带间跃迁的影响，将石墨烯的薄层电导率表示为21:式中，KB为玻尔兹曼常数，e为电子电量，T为开尔文温度，Γ为载流子散射率。可以看出，对于费米能级不是很小，即满足| EF| KBT的石墨烯，上式可以进一步简化为Drude模型的形式21:式中，D称为Drude质量，可以由下式表示：式中，VF为费米速度，一般取值为VF= 1 × 106m / s,n表示载流子浓度。同时，石墨烯的费米能级可以表示为：