石墨烯的特性及其调制方法(3)

　　如果可以在增强近场电场强度的同时，还能保证远场处与频率无关的均匀透射，也就是利用非谐振结构，那么就可以在保证较大调制幅度的同时，有效地增大器件的调制带宽，金属线栅结构正好具有上述的透射特性。2015年，S. F. Shi等人将石墨烯与金属线栅结构相结合[31],实现了对太赫兹波透射的动态调制。其结构如图6（a） 所示，其中金属线栅的周期为20 μm,线栅的缝宽为2 μm,在这样的结构参数下，通过实验测定发现，对于0 ~ 2 THz范围内的太赫兹波，透射率几乎为均匀的100: .这一高透射率来源于线栅结构的特性，在线栅缝隙中的近场电场非常强，其在远场相互干涉的结果就是在这一频率范围内实现了完全的透射。接着，将单层石墨烯转移到结构表面，并通过场效应管与离子凝胶相结合的方式[32-33]对石墨烯的费米能级进行电调制，从而实现了对太赫兹波透射的调制。通过实验测定，在0. 33 V处，石墨烯处于电荷中性点，此时的石墨烯电导率最低，电场的平均透射幅度最大达到了84:,而当外加偏压为- 1. 75 V时，电场的平均透射幅度减小到了43:,如图6（b） 所示，有了一个较大幅度的调制，远远大于单独单层石墨烯的调制幅度，这一增强来源于电场与石墨烯之间更强的相互作用，并且随着反向偏压的进一步增大，调制幅度还将进一步增大。利用这种方法，在不牺牲调制速度的情况下，同时获得了较大的调制幅度，并且具有较大的带宽，在0 ~ 2 THz内均有着相近的调制幅度，美中不足的是，这种器件对入射太赫兹波的偏振有着严格的要求。类似地，Guozhen Liang等人利用石墨烯直接与量子级联激光器太赫兹源相结合[34],大幅度增强了与石墨烯层相互作用的电场强度，在几十伏 的外加电压 下，获得 了近乎100%的调制幅度。
　　
　　一般说来电调制器件都是由多种不同的材料构成，包括石墨烯、半导体、绝缘体等等，通过材料的合理选择及对其厚度等参数的准确设置，可以进一步对调制器件的幅度、速度、带宽等性能进行优化。从以前的研究成果中可以看出，由于一定厚度介质层的存在，其中的谐振腔效应会在一定程度上影响器件的调制带宽，将调制器件的工作频率限制在一个很小的范围内[23],甚至某一频率处[22].为了对调制带宽进行优化，2015年，Feng-hua Shi等人提出了一种互补理论[35],将石墨烯层置于两层介质层的中间，通过合理选择介质的厚度和光学参数，实现了较宽带的调制。在最初的电调制器件中，通常选择材料二氧化硅作为绝缘层[21],受到绝缘层性质的影响，器件的调制幅度和速度十分有限。2014年，Qi Mao等人利用三氧化二铝代替二氧化硅作为绝缘层[36],并进行了实验测定和对比，在0. 4 ~ 1. 5 THz范围内获得了22:的调制深度和170 k Hz的调制速度，相比于原结构均有了一定的提升。这也从侧面说明，绝缘层介质的性质，会对石墨烯的性质有着一定的影响，合理地选择绝缘层材料，可以有效提升调制器件的性能。
　　
　　由此可见，电调制石墨烯是一种常见而有效的调制方法，可以很方便地动态调制石墨烯的费米能级，从而实现对于太赫兹波的空间调制。但是，对于石墨烯材料而言，这并不是唯一的调制方法，还可以通过光泵或光泵与偏压相结合的方法实现对石墨烯的调制。
　　
　　4光调制石墨烯器件
　　
　　这里所说的光调制，其基本结构是将石墨烯直接转移到半导体的表面上，利用激光照射结构表面，在光泵下，基底中会产生大量的光生载流子，由于基底中的光生载流子的浓度远远大于石墨烯薄层中的浓度，因此在浓度差的驱使下，光生载流子不断向石墨烯层扩散，使得石墨烯层的电导率升高，对于太赫兹波的吸收能力增强，有效地减小太赫兹波的透射幅度。
　　
　　在光调制下，我们也可以获得较大的调制幅度和较快的调制速度，但是相比于电调制结构，光调制器件的研究还比较少。2012年，Peter Weis等人从实验上证实了光调制石墨烯器件的可行性，及其具有的可观的调制深度[37],其基本结构如图7（a）。通过与纯硅结构的调制深度相对照，我们可以明显地看出，基于石墨烯的结构明显有着更大的调制深度。这是因为石墨烯有着远远大于硅的载流子迁移速率，因此同样数量的载流子，对石墨烯电导率的影响要大得多，太赫兹波的吸收和反射效果也要强得多。在波长为750 nm,功率为40 m W的泵浦激光的作用下，石墨烯-硅混合结构的调制幅度能够达到68:左右，超出纯硅结构18: .随着光泵能量的继续增大，调制幅度也不断增大，当光泵能量达到500 m W时，透射太赫兹波几乎完全消失，获得了近似99:的调制，如图7（b）。美中不足的是，该文章并没有对器件的调制速度进行分析。
　　
　　2014年，Qi-Ye Wen等人对于光调制石墨烯器件进行了进一步的分析[38],通过将半导体基底替换为Ge材料，降低了对激光光子能量的要求，使用1 550 nm波长的激光就可以进行有效泵浦。同样的，当激光功率为400 m W时，在0. 25 ~1 THz的范围内器件获得了平均83:的调制幅度。与前者不同的是，文章中加入了对于光调制器件调制速度的分析，通过对于器件调制速度的测量，发现其调制速度可以达到200 k Hz,由于这一调制速度主要受到Ge中载流子寿命的限制，如果能够继续降低Ge中载流子寿命，可以进一步提高调制速度。
　　
　　在太赫兹波段，对于光调制石墨烯器件的研究要明显少于电调制结构，但是从上述总结中可以看出，光调制有着不输于电调制的调制深度，并且也有较快的调制速度，具有一定的发展潜力。尽管如此，光调制结构在实际应用中局限性仍然较大，激光泵浦远没有加偏压调制的方法简单易行，这些有待进一步研究和改进。
　　
　　5光电混合调制石墨烯器件
　　
　　上述调制方法都是用单一的电或光对石墨烯进行调制，如果能将二者结合起来，那么也许就能获得更好的调制效果，实现更加灵活的调制。光电混合调制的方法就是综合电、光调制的一种方法，其基本原理是利用泵浦光将基底半导体中的载流子激发出来，再通过外加的偏压调制载流子的运动方向，从而调制石墨烯的载流子浓度。这种调制方法更加灵活，对于正反偏压可以有着完全不同的响应方式，并且已经取得一些阶段性的成果[39].
　　
　　2015年，Quan Li等人利用光电混合调制的方法，实现了石墨烯器件对于太赫兹波透射幅度的有效调制，其结构如图8（a） 所示[40].在实验中，利用532 nm的连续激光对硅基底进行泵浦，产生大量的电子-空穴对，在浓度差的驱使下，硅中的光生电子向石墨烯中扩散，直到达到平衡状态，此时，在两种材料之间形成了一个类似PN结的结构。当加上正向偏压时“PN结”处于导通状态，载流子无法在石墨烯层中积累，因此太赫兹波的透射幅度不受光泵功率或偏压的影响。当加上反向的偏压时，“PN结”中的耗尽层增厚，整个结构相当于一个电容器结构，因此随着反向偏压增大，石墨烯层中的电子浓度不断增大，太赫兹波的透射幅度不断减小，并且随着光泵功率的提高，减小的幅度也不断增大。在140 m W的光泵功率下，当偏压从0 V变化到- 3 V时，对于时域信号峰的峰值调制达到了51:,而在420 m W的光泵功率下，当偏压从0 V变化到- 4 V时，调制幅度达到了83:,如图8（b） 所示。在很小的电压下就实现了较大幅度的调制，获得了比较理想的调制效果。
　　
　　在此结构基础上，2015年，Ran Jiang等人利用在 石 墨 烯 和 硅 基 底 中 间 加 入 的Si ∶ Hf O2材料[41],实现了在正反两个方向偏压下均具有调制效应的器件。当加上正向偏压时，尽管光生载流子无法直接扩散进入石墨烯层中，但却可以通过电子隧穿的方式穿过Si∶ Hf O2层，在石墨烯层中积累，使得透射太赫兹波幅度明显地减小，随着光泵能量的增强，这一效应也不断增强。当加上反向偏压后，整个结构变成了一个电容器，从而实现对透射太赫兹波幅度的调制。当电压从0 V变化到- 3 V时，获得了74:的峰值调制幅度； 当电压从0 V增大到14 V时，在400 m W的光泵下，调制幅度达到37:,说明电子隧穿效应对石墨烯层中电子的浓度有着非常明显的影响。
　　
　　从上述成果中我们可以看出，相比于单独的电、光调制，尽管混合调制的方法实现起来更加困难，但是这种调制方法却更加灵活，可以通过器件的设计来实现不同的调制功能，也较容易获得大幅度的调制。因此，这也是未来石墨烯调制器件的一个发展方向。