石墨烯的特性及其调制方法(2)

　　其中各个符号的意义与前一表达式相同。由这3个表达式可以看出，石墨烯的薄层电导率与其费米能级EF紧密相关，利用这一点我们就可以实现对于石墨烯薄层电导率的动态调制。
　　
　　一般来说，通过改变石墨烯的费米能级位置，可以对载流子的浓度和种类进行动态调制，如图2所示。
　　
　　当费米能级位于导带中时，主要载流子为自由电子； 当费米能级处于价带中时，主要载流子为空穴； 而当费米能级恰好位于狄拉克点时，此时的载流子浓度达到最低，石墨烯的导电率也变得非常低，也正是因为如此，石墨烯器件具有很小的插入损耗，十分适合用于制作太赫兹波的调制器件。利用石墨烯的电导率可以大范围动态调制的特性，可以实现对于太赫兹波的动态调制，这是其他的材料所不具有的特性。在实际使用中，通过改变石墨烯的费米能级，可以改变其载流子的浓度，进一步会引起薄层电导率的改变，从而改变太赫兹波的透射或反射特性。常用的方法主要有外加电场、磁场、光泵等等，下面我们主要综述外加偏压、光学泵浦或二者相互结合的方法。
　　
　　3电调制石墨烯器件
　　
　　电调制就是利用外加电压的方式，调制石墨烯中载流子的浓度，从而对石墨烯的电导率进行调制。受到二维电子气调制结构的启发，2011年，Sensale-Rodriguez等人考虑用单层的石墨烯来代替结构中的金属电极和电子气层[15],这样不仅可以减小由于金属电极的引入而带来的较大插入损耗，而且可以大幅度提高器件的调制幅度。他们从理论上证明这种基于石墨烯的器件可以在5: ~ 90:范围内对太赫兹波的透射进行调试，远远优于以前所提出的各种结构。然而，这只是在理论上证明了用石墨烯调制太赫兹波的可行性，仍然缺少实验的有力支持。
　　
　　2012年，Sensale-Rodriguez等利用石墨烯与半导体混合结构[22],制作了一种反射式的太赫兹波幅度调制器件，并且通过电调制在0. 62 THz处获得了最大64:的调制，同时结构的实际插入损耗被控制在2 d B以下。同年，他们又提出了另一种透射式的调制结构[23],其结构及测量结果如图3所示。
　　
　　通过调整上下两个极板间所加的偏压，可以实现石墨烯费米能级的调制，从而改变其薄层电导率的数值，进而调制太赫兹波的透射幅度。这也是一种最经典的石墨烯电调制方式，后续的许多研究都是基于此结构发展而来的。在太赫兹波调制上，尽管其调制幅度有了一定的下降，最大只达到 了15:,但 是 却 拓 展 了 调 制 的 带 宽，在0. 57 ~ 0. 63 THz范围内都有着近乎相同的调制幅度。上述的实验结果有效地填补了基于石墨烯的太赫兹调制器件的空白，但是考虑到调制带宽和调制幅度等因素，其调制结果并不能完全令人满意，基于石墨烯的性质，其调制幅度和带宽仍有着很大的提升空间。
　　
　　在上述研究基础上，研究人员继续提出新的方法以提高石墨烯电调制器件的性能。总结起来，可以概述为以下几种方法： （a） 利用两层石墨烯极板之间构成的“超级电容器”结构，大幅度增加整个结构的电容，使得石墨烯层在很小的电压下就有着非常大的电荷积累，可以增加对于透射太赫兹波的调制幅度； （b） 将石墨烯与谐振结构相互结合，利用两者之间的有效耦合，实现高性能的调制作用； （c） 利用特定结构实现电场的异常增强，再将石墨烯铺在结构上，在电场增强处就会出现非常强烈的吸收，从而大幅调制透射的太赫兹波； （d） 还可以通过合理地选取基底、绝缘层等材料，实现对于调制器件性能的进一步优化。采用上述这些方法，研究人员已经制作出了一系列性能很好的太赫兹波调制器件。
　　
　　2015年，Yang Wu等人利用两片石墨烯制作出一 种“超 级 电 容 器”结 构[24].具 体 结 构 如图4（a） 所示。上下两层均为单层的石墨烯电极，中间层为离子凝胶材料，当加上偏压后，由于离子液体和石墨烯中的载流子均聚集在距离交界面几个纳米的范围内，形成了典型的双电层结构，如图4（b） ,从而使得石墨烯中的电场强度大幅增强，因此外加偏压对于其费米能级的调制作用也获得了很大增强。调制机理归根结底还是对于上下两层石墨烯极板中载流子浓度的调制，最初，上下两层石墨烯均为p型，费米能级在狄拉克点附近，位于价带之中，当外加电压较大，费米能级跨过狄拉克点时，对于底层的石墨烯，费米能级位于导带之中，并随着电压增大而升高，对于顶层的石墨烯，费米能级位于价带之中，并随着电压增大而不断下降，这样，上下两层石墨烯的态密度均随着偏压增大而增大，可用于带内跃迁的电子增多，对于太赫兹波的吸收增强，因此太赫兹波的透射率不断减小，实现了对于太赫兹波幅度的有效调制。当上下极板均为单层石墨烯时，在3 V的外加偏压下，不考虑器件多次反射的情况下，对于0. 1 ~2. 5 THz范围内的太赫兹波平均透射强度实现了83:左右的调制，如图4（c） 所示。这一数值明显大于最初的石墨烯调制器件，说明在实现调制的过程中，离子凝胶的存在起到了非常重要的作用。但是这种结构也有着一定的局限性，首先受到离子凝胶电化学窗口范围的限制，外加电压不能无限制的增大，一般不能超过3 V,并且由于整个结构的电容很大，时间常数非常大，因此器件的充电时间就会比较长，对其调制速度会有比较大的限制。类似的结构还有N. Kakenov等人于2015年所制作的结构[25].
　　
　　采用石墨烯与谐振结构相结合的方法也能有效提高器件的调制性能，尤其是在谐振峰的位置[26-28].在谐振频率处，影响太赫兹波透射幅度的主要因素是结构的谐振情况，当将一层石墨烯结构转移到谐振结构上，并对其费米能级进行电调制时，随着其电导率的不断增大，石墨烯的性质由最初的半导体性向金属性转变，从而形成了一个新的载流子传输通道，对谐振结构有一个非常强的“短路”作用，并进一步影响谐振频率处的太赫兹波透射幅度。2012年，Seung Hoon Lee等人利用石墨烯与六边形金属共振结构相结合，制作出太赫兹波幅度调制器件[29].该器件虽然在1 THz附近的谐振频率处获得了最大50:的调制幅度，但是所加的调制电压却达到了400 V,不利于实际的使用。在此基础上，2014年，Weilu Gao等人利用将金属圆环结构直接制作于石墨烯表面[30],并对石墨烯进行偏压调制，在0. 4 THz处，获得了50:的调制幅度，所加的调制电压与之前相比有了大幅降低，仅为20 V,其结果如图5所示。尽管有着不错的调制幅度，但是我们可以明显地看出，受到谐振结构特性的影响，器件的调制带宽都是非常有限，甚至只能在特定频率处实现明显的调制，这一点在某些要求带宽的场合具有一定局限。