基于氧化釩與石墨烯復合結構的寬帶大深度太赫茲調制器

王 紅， 胡放榮， 李東霞， 銀 珊， 張文濤， 江明珠， 王月娥

(桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004)

太赫茲波是頻率為0.1～10 THz的電磁波，其位于微波與紅外之間，處于電子學向光子學的過渡領域[1]。太赫茲波具有低能、寬帶和物質識別的指紋譜等許多優良特性，在生物醫學、無損檢測、安檢、國防軍事及寬帶通信等領域具有重要的應用價值[2-8]。在許多實際應用中，太赫茲調制器件是必不可少的關鍵功能器件。

太赫茲波調制方式有電調制、機械調制、熱調制和光調制等。電調制通常用基于半導體異質結的二維電子氣(2DEG)實現調制[9-11]，但是2DEG的厚度限制了其對太赫茲波的調制深度。機械調制[12]通常采用微機電系統(MEMS)進行調制，盡管能夠實現大深度調制，但由于其結構復雜且制作成本高，大大限制了其使用范圍。熱調制通常利用二氧化釩的熱相變特性進行調制，因為二氧化釩在溫度高于68 ℃時，由絕緣相變為金屬相[13]，但是這種熱調制中二氧化釩的熱響應時間長，限制了器件的適用范圍。值得一提的是，氧化釩薄膜在泵浦光的照射下，也會發生光致絕緣體-金屬相變，而且這個過程比加熱導致的相變速度要快10倍，可達到費秒量級[14]，對于高速太赫茲調制具有重要的意義。

石墨烯是太赫茲波光調制的一種常用材料，它具有特殊的能帶結構和優異的光、熱、電和力學等特性[15]。另外，石墨烯還具有高載流子遷移率、高載流子濃度及很寬的電磁波響應范圍，是實現寬帶、快速太赫茲波調制的理想材料。Weis等[16]提出了一種硅基底石墨烯的光控太赫茲調制器，光功率為560 mW，調制深度達99%。Liu等[17]提出了一種基于硅基底的全光太赫茲調制器，光功率為550 mW，調制深度為72%。盡管這些光泵浦太赫茲調制大大提高了調制深度和調制速度，但是仍然存在著器件制作工藝復雜和泵浦光功率高的問題。

鑒于此，基于光致氧化釩相變和光致石墨烯費米能級變化的特性，設計了一種基于氧化釩與石墨烯復合結構的寬帶大深度太赫茲調制器。

1 實驗

1.1 樣片制備

樣片制備包括：1)石墨烯向高阻硅基底轉移；2)氧化釩薄膜制備。

石墨烯的轉移方法有很多種，如溶液刻蝕法、PDMS轉移法、濾紙轉移法等。為了保證石墨烯薄膜的完整性，采用溶液刻蝕法。

石墨烯向硅基底的轉移過程如圖1所示。首先將石墨烯樣片(銅/石墨烯/PMMA)放入FeCl3溶液中，約20 min后銅基底被全部腐蝕掉。然后用載玻片將石墨烯放入另一個盛滿去離子水的培養皿，10 min后再使用載玻片將石墨烯移到另一個盛滿去離子水的培養皿。重復3次后，用雙面拋光的高阻硅片將石墨烯撈出(此時石墨烯表面的溶液雜質幾乎全部被去掉)，在空氣中自然晾干(約2 h)。將轉移了石墨烯的硅片放入丙酮的培養皿，10 min后放入另一個丙酮培養皿，重復3次后，石墨烯表面的PMMA被完全除去，完成石墨烯向高阻硅基底的轉移。

圖1 石墨烯向硅基底的轉移過程

常用的氧化釩薄膜制備方法有勻膠法、濺射法、蒸發法和激光沉積法等，濺射法、蒸發法和激光沉積法需要昂貴的設備。采用勻膠法制備氧化釩薄膜工藝流程為：

1)將純度為99.99%的V2O5粉末直接溶解到去離子水中，超聲波處理30 min，室溫下攪拌4 h，保持靜止24 h，然后用濾紙收集氧化釩溶液，見圖2(a)。

2)將轉移了石墨烯的高阻硅基底放到勻膠機上，帶有石墨烯的表面朝下，如圖2(b)所示，在硅基底另一面旋涂一層氧化釩，旋涂轉速為1000 r/min，時間為20 s，最后將旋涂氧化釩的樣片移至150 ℃的加熱臺上按圖2(c)的方法退火10 min。

圖2 氧化釩薄膜制作工藝流程

1.2 調制實驗

實驗所用設備為Z-3型太赫茲時域系統，系統結構及局部照片如圖3所示。制備的樣片和作為參考的高阻硅依次固定在中央開孔的印刷電路板上，待測樣片表面與太赫茲波束的焦平面重合，中心波長為650 nm的2個連續激光器分別以45°入射到氧化釩與石墨烯的表面，且焦平面上2束泵浦光束的光斑半徑應大于太赫茲波的光斑半徑，泵浦光功率可通過可調衰減片連續調節。

在無泵浦光的情況下，測得的高阻硅片(Si)、硅/石墨烯(GS)、石墨烯/硅/氧化釩(GSV)樣片的太赫茲時域譜如圖4所示。從圖4(a)可看出，Si、GS和GSV三個樣片的太赫茲時域光譜非常接近，因此，在無泵浦光的情況下，氧化釩層與單層石墨烯對太赫茲波透射的影響非常小。圖4(b)為80 mW的2束泵浦光同時入射到高阻硅片2個表面的太赫茲時域譜。從圖4(b)可看出，太赫茲波的幅值略有下降，說明泵浦光激勵下高阻硅產生的光生載流子對太赫茲波的調制作用非常弱。

圖3 實驗系統示意圖及主要實物

圖4 太赫茲時域譜

圖5 單面泵浦時GS和GSV的透過率及調制深度曲線

1.2.1 單光路調制

泵浦光從單側以45°入射，當泵浦光功率從0增加至80 mW，對3種情況進行調制實驗：1)泵浦光激勵GS石墨烯層；2)泵浦光激勵GSV的石墨烯層(GSV-G)；3)泵浦光激勵GSV的氧化釩層(GSV-V)。3種情況對應的太赫茲透過率曲線如圖5所示。透過率定義為

其中：As為太赫茲信號透過樣片的幅值；Ar為太赫茲信號透過高阻硅基底的幅值。

從圖5可看出，隨著泵浦光功率的增加，3種情況對應的太赫茲波透過率都逐漸減小。為進一步研究調制特性，定義調制深度為

其中：T0為無泵浦光的透過率；TP為有泵浦光功率P的透過率。上述3種情況對應的調制深度如圖6(d)所示。從圖6(d)可看出，隨著泵浦光功率增加，每個樣片的調制深度都增加。對于樣片GS，當單泵浦光功率達到80 mW時，最大調制深度為67.7%；對于樣片GSV，當單泵浦光照射到氧化釩層時，最大調制深度為75.6%；當單泵浦光照射到石墨烯層時，最大調制深度為82.5%。可見，相同光功率條件下，泵浦光對石墨烯層的調制深度比對氧化釩層的調制深度大，說明在相同泵浦光功率情況下，石墨烯的光調制能力大于氧化釩。

1.2.2 雙光路調制

為了提高調制深度，設計了雙光路調制方案，即用2束泵浦激光以45°入射角分別入射到GSV樣片的氧化釩和石墨烯進行調制。雙面泵浦特性曲線如圖6所示。從圖6(a)可看出，隨著泵浦光功率的增加，太赫茲波透過率快速下降。從圖6(b)可看出，隨著泵浦光功率的增加，太赫茲波透過率下降，調制器的調制深度上升。當泵浦光功率增加到80 mW時，太赫茲波的透過率下降到8%，而此時的調制深度達到了92%。

2 調制原理

2.1 光調氧化釩原理

光致氧化釩相變對太赫茲波衰減主要是因為氧化釩的Drude衰減，衰減程度可用電導率來表征，氧化釩薄膜相變后的電導率可以由透射率Tm求出。

圖6 雙面泵浦特性曲線

本實驗所用勻膠法制作的氧化釩薄膜厚度(約100 nm)遠遠小于太赫茲波的波長，因此，可使用薄膜近似條件來計算氧化釩薄膜電導率[18]。近似條件下的相對透射率可表示為

(1)

復電導率可表示為

(2)

其中：φ(ω)為太赫茲波通過硅基底氧化釩與裸硅基底的相位差；ns、d分別為基底的折射率、厚度；Z0為真空波阻抗。

一般情況下，Drude模型可以描述金屬的光學特性。Drude模型為：

(3)

(4)

按照Drude模型對式(2)的復電導率進行擬合，可以確定各個Drude參數。王昌雷等[19]通過時域有限積分法模擬了太赫茲波脈沖穿透硅基VO2薄膜，實驗結果與Drude模型得到的結果非常吻合，說明此模型能很好地解釋光致氧化釩相變的原理。

當泵浦光照射到氧化釩薄膜表面時，隨著泵浦光功率逐漸增大，氧化釩薄膜表面的電導率增加，從而使太赫茲波的衰減越來越強。

2.2 光調石墨烯原理

石墨烯的電導率變化主要由電子的帶內躍遷及帶間躍遷引起，但是在太赫茲及低頻范圍，由于光子能量較小，即費米能級|EF|??ω，?為狄拉克常數，電子的帶間躍遷影響可以忽略。此時，石墨烯的電導率[20]可以表示為

σ=σintra(ω)≈

(5)

其中：KB為波爾茲曼常數；T為開爾文溫度；Γ為載流子色散率。當|EF|??ω時，式(5)可簡化為Drude模型[20]：

(6)

在光泵下，高阻硅基底會產生大量的光生載流子，由于基底中光生載流子濃度遠大于石墨烯薄層中的載流子濃度，光生載流子會不斷向石墨烯層擴散，使石墨烯層電導率升高，對于太赫茲波的吸收能力增強，從而減小太赫茲波的透射率[14]。

3 結束語

針對目前有效的太赫茲調制器匱乏的現狀，設計了一種基于氧化釩與石墨烯復合結構的太赫茲調制器，利用THz-TDS系統分析了調制器在不同光功率下的調制特性。實驗結果表明：當80 mW的650 nm激光從氧化釩表面泵浦時最大調制深度為75.6%；當80 mW的650 nm激光從石墨烯表面泵浦時最大調制深度達82.5%；若80 mW的650 nm激光同時從氧化釩與石墨烯表面泵浦，最大調制深度高達92%。本設計的太赫茲調制器制備工藝簡單，成本低廉，能夠在低光功率下實現大深度調制，在未來全光太赫茲寬帶通信中具有十分重要的應用前景。