一種基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線及其制備方法，屬于通信電子元器件領(lǐng)域。該傳輸線從下往上依次為低阻導(dǎo)電硅襯底、SiO2介質(zhì)層、石墨烯層、Al2O3保護層和金屬電極，所述金屬電極包括中心導(dǎo)帶和接地板，通過在所述低阻導(dǎo)電硅襯底上加直流偏置電壓可改變石墨烯的介電性能。本發(fā)明提出的共面波導(dǎo)傳輸線可對石墨烯的介電性能進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)插入損耗和相位延遲的可調(diào)；采用Al2O3作為保護層，避免了石墨烯直接接觸金屬導(dǎo)帶造成的表面污染和損傷，降低了傳輸線損耗，從而實現(xiàn)更高的偏壓影響靈敏度。
【專利說明】一種基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于通信電子元器件領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料,是由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子的厚度。石墨烯自從2004年被成功制備以來,迅速成為國內(nèi)外研究的熱點。石墨烯是已知的最薄、最堅硬的納米材料，比鋼硬5倍；且石墨烯為零帶隙半導(dǎo)體材料，具有獨特的錐形能帶結(jié)構(gòu)，從而具有優(yōu)異的電子特性。與傳統(tǒng)的硅、砷化鎵和其它半導(dǎo)體材料相比，石墨烯具有更高的載流子遷移率、電子飽和速率和熱導(dǎo)率。由于石墨烯具有優(yōu)良的電學(xué)性能和機械性能，使其成為制備高精度、小型化納米傳輸線與元器件的理想材料。
[0003]目前，石墨烯傳輸線通常采用單層共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，將機械剝離制備的石墨烯直接加載到共面波導(dǎo)金屬導(dǎo)帶上[G.Deligeorgis, M.Dragoman, D.Neculoiu, D.Dragoman, G.Konstantinidisj A.Cismaruj and R.Plana.Microwave propagat1n in grapheme.Applied Physics Letters, 2009, 95，073107],該結(jié)構(gòu)較為成熟,但是由于石墨烯直接接觸導(dǎo)體，導(dǎo)致石墨烯表面不同程度的污染和損傷，并且機械剝離制備的石墨烯形狀不規(guī)則，直接加載后導(dǎo)致傳輸線端面不規(guī)則，參考面難以界定。2012年，Yunqiu Wu等提出了一種基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[Yunqiu ffu, Yuehang Xu, Zegao Wang, Cao Xu, ZongxiTang, Yuanfu Chen and Ruimin Xu.Microwave transmiss1n properties of chemicalvapor deposit1n grapheme.Applied Physics Letters.2012, 101，053110.],從下往上依次為聚四氟乙烯、金屬導(dǎo)帶、石墨烯、二氧化硅，該結(jié)構(gòu)采用石墨烯作為多層共面波導(dǎo)中的一層介質(zhì)，通過形狀調(diào)整獲得規(guī)則外形，傳輸線端口參考面明確，并能通過改變外加偏置電壓調(diào)整傳輸線插入損耗和相移特性。但是，由于該結(jié)構(gòu)采用石墨烯倒置結(jié)構(gòu)，石墨烯與導(dǎo)帶接觸時難以避免造成石墨烯的污染和損傷，并且外加偏置電壓是加在中間金屬導(dǎo)帶上，會使石墨烯薄膜受偏置電壓的影響不規(guī)則，導(dǎo)致其介電性能的改變不均勻。因此，如何使基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)的石墨烯表面不受污染與損傷，維持其優(yōu)良的電學(xué)性能，并且使石墨烯薄膜的介電性能得到均勻變化，成為孑待解決的關(guān)鍵問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對【背景技術(shù)】存在的缺陷，提出了一種基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線及其制備方法，該傳輸線采用導(dǎo)電襯底作為背柵電極，采用納米量級厚度的Al2O3作為石墨烯的保護層，有效避免了石墨烯直接接觸金屬電極導(dǎo)致的污染和損傷，降低了傳輸線損耗，實現(xiàn)了更高的偏壓影響靈敏度；且該傳輸線可通過在導(dǎo)電襯底上加直流偏置電壓對石墨烯的介電性能進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)插入損耗和相位延遲的調(diào)節(jié)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線，從下往上依次為低阻導(dǎo)電硅襯底、S12介質(zhì)層、石墨烯層、Al2O3保護層和金屬電極，所述金屬電極包括中心導(dǎo)帶和接地板。
[0007]進一步地，所述S12介質(zhì)層的厚度為Ιμπι?ΙΟμπι。
[0008]進一步地,所述Al2O3保護層的厚度為5nm?10nm。
[0009]一種上述基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線的使用方法，其特征在于，通過在所述低阻導(dǎo)電硅襯底上加直流偏置電壓可改變石墨烯的介電性能。
[0010]一種基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線的制備方法，包括以下步驟:
[0011]步驟1:在低阻導(dǎo)電硅襯底上采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法(PECVD)沉積S12介質(zhì)層，作為多層共面波導(dǎo)的基礎(chǔ)襯底；
[0012]步驟2:在步驟I得到的基礎(chǔ)襯底上制備石墨烯層；
[0013]步驟3:在步驟2得到的帶石墨烯層的基礎(chǔ)襯底上采用原子層沉積法(ALD)沉積一層Al2O3作為石墨烯的保護層，即得到基于石墨烯的多層介質(zhì)襯底；
[0014]步驟4:在步驟3得到的基于石墨烯的多層介質(zhì)襯底上制備金屬電極，即得到所述基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線。
[0015]其中，步驟2所述的制備石墨烯層的具體過程為:采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在銅基上制備石墨稀，并在石墨稀上旋涂PMMA (聚甲基丙稀酸甲酷)，然后放入Fe (NO3) 3溶液中刻蝕掉銅，刻蝕完后取出帶PMMA的石墨烯并在水中清洗；將清洗后的帶PMMA的石墨烯烘干并清洗PMMA，得到的石墨烯平鋪在S12介質(zhì)層上。
[0016]其中，步驟4所述的制備金屬電極的具體過程為:用光刻膠覆蓋步驟3所述基于石墨烯的多層介質(zhì)襯底，光刻顯影暴露出共面波導(dǎo)傳輸線中心導(dǎo)帶和接地板的形狀；然后蒸鍍金屬，剝離光刻膠后形成中心導(dǎo)帶和接地板組成的金屬電極。
[0017]進一步地,步驟I中所述的S12介質(zhì)層的厚度為I μ m?10 μ m。
[0018]進一步地,步驟3中所述的Al2O3保護層的厚度為5nm?10nm。
[0019]本發(fā)明的有益效果為:
[0020]1、本發(fā)明制備的多層共面波導(dǎo)傳輸線采用低阻導(dǎo)電硅剛性襯底結(jié)構(gòu)，可通過在低阻導(dǎo)電硅襯底上外加直流偏置電壓調(diào)節(jié)石墨烯的介電性能，并且由于接地板與低阻導(dǎo)電硅襯底之間形成的電場較均勻，這樣可使石墨烯的介電性能得到均勻的改變。因此，本發(fā)明提出的多層共面波導(dǎo)傳輸線可用于信號檢測、無線通信設(shè)備等，并且在不同的應(yīng)用環(huán)境下，可通過調(diào)節(jié)石墨烯的介電性能調(diào)整傳輸線的插入損耗和相移特性。
[0021]2、本發(fā)明提出的多層共面波導(dǎo)傳輸線中采用Al2O3作為石墨烯的保護層，避免了石墨烯直接接觸金屬導(dǎo)帶造成的表面污染與損傷，降低了傳輸線損耗，實現(xiàn)了更高的偏置影響靈敏度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明提出的基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線的剖面示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明提出的基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線的示意圖。
[0024]圖中，I為低阻導(dǎo)電硅襯底，2為S12介質(zhì)層，3為石墨烯層，4為Al2O3保護層，5為共面波導(dǎo)中心導(dǎo)帶，6為共面波導(dǎo)接地板。

【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，有必要在此指出的是所述實施例只是用于對本發(fā)明的進一步說明，但不應(yīng)理解為是對本發(fā)明保護范圍的任何限定，該領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容作出一些非本質(zhì)性的改進和調(diào)整。
[0026]實施例
[0027]—種基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線，從下往上依次為低阻導(dǎo)電硅襯底1、S12介質(zhì)層2、石墨烯層3、Al2O3保護層4和金屬電極，所述金屬電極包括中心導(dǎo)帶5和接地板6 ;所述S12介質(zhì)層2采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法制備；所述Al2O3保護層4采用原子層沉積法(ALD)制備。
[0028]進一步地，所述低阻導(dǎo)電硅襯底I的厚度為400 μ m ;
[0029]所述S12介質(zhì)層2用于隔離低阻導(dǎo)電硅與石墨烯，使石墨烯可以感應(yīng)導(dǎo)電硅上所加直流偏置電場，其沉積的厚度為Iym;
[0030]所述Al2O3保護層4用于隔離石墨烯與共面波導(dǎo)金屬電極，避免石墨烯表面污染或損傷，其沉積的厚度為1nm ；
[0031]所述共面波導(dǎo)中心導(dǎo)帶5與接地板金屬6由Inm厚的金屬鈦和1nm厚的金-鉬合金組成。
[0032]上述基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線的使用方法，其特征在于，通過在所述低阻導(dǎo)電硅襯底I上加直流偏置電壓可改變石墨烯的介電性能，從而改變傳輸線特性，應(yīng)用于不同的信號檢測或通信設(shè)備中。
[0033]本實施例的一種基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線的制備方法，包括以下步驟:
[0034]步驟1:在低阻導(dǎo)電硅襯底I上采用PECVD法沉積一層厚度為I μ m的S12介質(zhì)層2，作為多層共面波導(dǎo)的基礎(chǔ)襯底；
[0035]步驟2:在事先已在銅基片上用CVD法制備的石墨烯上旋涂電子束光膠(PMMA)，再把石墨烯放入Fe (NO3) 3溶液中刻蝕掉銅，刻蝕完畢后帶PMMA的石墨烯將浮在Fe (NO3) 3溶液表面，此時用載玻片把帶PMMA的石墨烯從Fe (NO3) 3溶液中轉(zhuǎn)移到清水里清洗干凈；
[0036]步驟3:轉(zhuǎn)移石墨烯:將步驟2得到的帶PMMA的石墨烯從清水中撈起、烘干并清洗PMMA，得到石墨烯層，然后將石墨烯層平鋪于步驟I得到的基礎(chǔ)襯底上；
[0037]步驟4:在步驟3得到的帶石墨烯層的基礎(chǔ)襯底上采用原子層沉積法(AtomicLayer Deposit1n, ALD)生長一層厚度為1nm的Al2O3作為石墨烯的保護層，即得到基于石墨烯的多層介質(zhì)襯底；
[0038]步驟5:用光刻膠覆蓋步驟4所述基于石墨烯的多層介質(zhì)襯底，光刻顯影后暴露出共面波導(dǎo)傳輸線中心導(dǎo)帶5和接地板6的形狀，共面波導(dǎo)傳輸線中心導(dǎo)帶5的寬度為2 μ m，長度為500 μ m ;接地板6的寬度為40 μ m,長度為500 μ m ;共面波導(dǎo)傳輸線中心導(dǎo)帶5與接地板6之間的距離均為4 μ m ;
[0039]步驟6:蒸鍍金屬鈦和金-鉬合金、剝離光刻膠，形成中心導(dǎo)帶5和接地板6組成的金屬電極，即得到所述基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線。
[0040]本發(fā)明實施例制備的基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線具有工作頻率高、插入損耗和相移量調(diào)節(jié)靈敏等優(yōu)點，這是由于石墨烯具有二維平面結(jié)構(gòu)、場相關(guān)介電性能和高機械強度的特性。本發(fā)明制備的多層共面波導(dǎo)傳輸線采用低阻導(dǎo)電硅剛性襯底結(jié)構(gòu)，可通過在低阻導(dǎo)電硅襯底上外加直流偏置電壓調(diào)節(jié)石墨烯的介電性能，并且由于接地板與低阻導(dǎo)電硅襯底之間形成的電場較均勻，這樣可使石墨烯的介電性能得到均勻的改變。因此，本發(fā)明提出的多層共面波導(dǎo)傳輸線可用于信號檢測、無線通信設(shè)備等，并且在不同的應(yīng)用環(huán)境下，可通過調(diào)節(jié)石墨烯的介電性能調(diào)整傳輸線的插入損耗和相移特性。這是由于，在理想情況下，純石墨烯是金屬半導(dǎo)體，電導(dǎo)率非常低，主要呈現(xiàn)介質(zhì)特性，通過外加直流偏置電壓可改變石墨烯的化學(xué)勢能，從而改變石墨烯的載流子濃度，而載流子濃度的大小直接決定了石墨烯的電導(dǎo)率，因此，外加的直流偏置電壓越大，導(dǎo)電率越高，越接近導(dǎo)體特性，石墨烯的介質(zhì)損耗則會越大。同時該制備工藝能夠使石墨烯平整、無損的轉(zhuǎn)移到二氧化娃/導(dǎo)電硅襯底上；并且采用三氧化二鋁作保護層，避免了石墨烯直接接觸金屬導(dǎo)帶造成的表面污染與損傷，降低傳輸線損耗，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的偏置影響靈敏度。
【權(quán)利要求】
1.一種基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線，從下往上依次為低阻導(dǎo)電硅襯底、S12介質(zhì)層、石墨烯層、Al2O3保護層和金屬電極，所述金屬電極包括中心導(dǎo)帶和接地板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線，其特征在于，所述S12介質(zhì)層的厚度為I μ m?10 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線，其特征在于，所述Al2O3保護層的厚度為5nm?10nm。
4.一種如權(quán)利要求1所述的基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線的使用方法，其特征在于，通過在所述低阻導(dǎo)電硅襯底上加直流偏置電壓可改變石墨烯的介電性能。
5.一種基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:在低阻導(dǎo)電硅襯底上采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積法沉積S12介質(zhì)層，作為多層共面波導(dǎo)的基礎(chǔ)襯底； 步驟2:在步驟I得到的基礎(chǔ)襯底上制備石墨烯層； 步驟3:在步驟2得到的帶石墨烯層的基礎(chǔ)襯底上采用原子層沉積法沉積一層Al2O3作為石墨烯的保護層，得到基于石墨烯的多層介質(zhì)襯底； 步驟4:在步驟3得到的基于石墨烯的多層介質(zhì)襯底上制備金屬電極，即得到所述基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線的制備方法，其特征在于，步驟2所述的制備石墨烯層的具體過程為:采用化學(xué)氣相沉積法在銅基上制備石墨烯，并在石墨烯上旋涂PMMA，然后放入Fe (NO3) 3溶液中刻蝕掉銅，刻蝕完后取出帶PMMA的石墨烯并在水中清洗；將清洗后的帶PMMA的石墨烯烘干并清洗PMMA，得到的石墨烯平鋪在S12介質(zhì)層上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線的制備方法，其特征在于，步驟4所述的制備金屬電極的具體過程為:用光刻膠覆蓋步驟3所述基于石墨烯的多層介質(zhì)襯底，光刻顯影暴露出共面波導(dǎo)傳輸線中心導(dǎo)帶和接地板的形狀；然后蒸鍍金屬，剝離光刻膠后形成中心導(dǎo)帶和接地板組成的金屬電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線的制備方法，其特征在于，步驟I中所述的S12介質(zhì)層的厚度為I μ m?10 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于石墨烯的多層共面波導(dǎo)傳輸線的制備方法，其特征在于，步驟3中所述的Al2O3保護層的厚度為5nm?10nm。
【文檔編號】H01P11/00GK104319447SQ201410563884
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】吳韻秋, 陳永堃, 徐躍杭, 唐宗熙, 張彪, 康凱, 趙晨曦 申請人:電子科技大學(xué)