陳勰宇，田 震*

（1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點實驗室，天津300072；2.天津大學(xué)太赫茲波研究中心，天津300072）

石墨烯太赫茲波動態(tài)調(diào)制的研究進展

陳勰宇1，2，田 震1，2*

（1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點實驗室，天津300072；2.天津大學(xué)太赫茲波研究中心，天津300072）

石墨烯是一種有著獨特電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的二維材料，近年來在太赫茲波動態(tài)調(diào)制的研究中有著廣泛的應(yīng)用。本文主要對基于石墨烯的太赫茲波動態(tài)調(diào)制器件進行了綜述，分析了電調(diào)制、光調(diào)制和光電混合調(diào)制3種調(diào)制方法的原理和優(yōu)缺點，介紹了近幾年來將石墨烯應(yīng)用于太赫茲波動態(tài)調(diào)制所取得的一系列科研成果，著重對不同器件的調(diào)制性能進行了對比，分析了優(yōu)勢和不足。石墨烯可調(diào)超材料為實現(xiàn)更快速、高效的太赫茲調(diào)制器件提供了新的思路。

太赫茲波；石墨烯；調(diào)制

1 引 言

太赫茲波（THz）是頻率在0.1 THz到10 THz的電磁波，在電磁波譜上介于微波和紅外波段之間，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡領(lǐng)域。近年來，由于太赫茲波所具有的獨特的性質(zhì)，如寬帶性、低能量性、相干性等，太赫茲波受到了人們越來越多的關(guān)注，因而在前沿科學(xué)研究與新技術(shù)應(yīng)用等諸多領(lǐng)域中扮演著引人注目的角色［1-4］，例如生物、醫(yī)學(xué)、藥物檢測、半導(dǎo)體材料特性表征、國土安全檢查、太赫茲通訊和太赫茲雷達等［5］。

但是在太赫茲波發(fā)展的初期，由于太赫茲源、功能器件、探測器件的短缺，這一波段曾被人們稱為“太赫茲空隙”。近年來，隨著太赫茲技術(shù)水平的不斷進步，人們已經(jīng)從光學(xué)和電子學(xué)角度分別獲得了較成熟的太赫茲源和太赫茲探測器，如基于光學(xué)方法的相干太赫茲源包括氣體激光器、自由電子激光器、量子級聯(lián)激光器、光電導(dǎo)天線、光學(xué)整流、半導(dǎo)體表面電場發(fā)射以及光致丹倍效應(yīng)發(fā)射［6］等，其中太赫茲時域光譜技術(shù)已經(jīng)逐步從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用，如飛機和汽車的噴漆測量、半導(dǎo)體無損探傷等；另外，從電子學(xué)方面向太赫茲波段的發(fā)展來自于微波技術(shù)向短波方向的發(fā)展。包括返波管、耿氏振蕩器、雪崩傳輸時間二極管、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)高遷移率電子晶體管、非線性傳輸線［6］等，上述基于電子學(xué)的太赫茲技術(shù)大多和微電子技術(shù)兼容，近年來也已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，如人體安檢、毫米波雷達等。由此，太赫茲功能器件是繼太赫茲源和探測技術(shù)之后最亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，是構(gòu)建太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)的核心。低損耗、高效傳輸調(diào)制和快速響應(yīng)太赫茲功能器件的匱乏已成為太赫茲技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的瓶頸問題。其中，太赫茲調(diào)制器是多種應(yīng)用系統(tǒng)的核心器件，如太赫茲通信系統(tǒng)，太赫茲傳感系統(tǒng)等。目前，在太赫茲的調(diào)制器件上，仍有著比較大的缺口，并且隨著應(yīng)用范圍的不斷拓展，對調(diào)制器件也提出了進一步的要求。

所謂調(diào)制器件，就是指能夠控制振幅、相位和偏振態(tài)等特性的功能結(jié)構(gòu)或器件。合理運用調(diào)制器件，可以有效地降低太赫茲系統(tǒng)的復(fù)雜度、成本、幾何尺寸等。這些器件的種類繁多，近些年來，有文獻報道了多種基于不同材料和結(jié)構(gòu)的太赫茲調(diào)制器，如量子阱、半導(dǎo)體超晶格、光子晶體和超材料的太赫茲調(diào)制器等。無論采用什么方式，我們都希望器件能夠擁有較大的調(diào)制深度，非?？斓恼{(diào)制速度以及較寬的調(diào)制帶寬，但是在實際情況中，這些往往是不能夠同時實現(xiàn)的。因此，人們也在不斷探索能夠應(yīng)用于太赫茲波調(diào)制的新型材料。超材料、石墨烯等材料逐漸體現(xiàn)出了在太赫茲調(diào)制領(lǐng)域所具有的巨大潛力，成為人們研究的熱點。

利用超材料所制作的調(diào)制器件，擁有許多自然界材料所不具有的調(diào)制特性，因此是未來發(fā)展的重要方向。然而，許多這類結(jié)構(gòu)［7-9］卻有著明顯的局限性，很多結(jié)構(gòu)都無法實現(xiàn)太赫茲波的動態(tài)調(diào)制，只能通過結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的變化來改變對于太赫茲波的調(diào)制，這在很大程度上限制了其實際應(yīng)用。為了實現(xiàn)太赫茲波的動態(tài)調(diào)制，科學(xué)家們也開始著眼于可調(diào)超材料的研究，并取得了一定的成果。在原理上可以將太赫茲波段的可調(diào)超材料分為兩大類［10-11］：一類是主動控制超材料結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)超材料，最典型的就是基于微機電系統(tǒng)（MEMS）的可重構(gòu)超材料［12］，但是這一方法受到加工工藝水平的限制，在材料穩(wěn)定性等方面還有很大提高空間；第二類是基于活性媒質(zhì)的混合超材料，利用活性媒質(zhì)的光電性質(zhì)會隨著外加光、電、熱等刺激而變化的特性，實現(xiàn)可調(diào)的太赫茲超材料［13-14］，典型的活性媒質(zhì)有半導(dǎo)體、相變材料、液晶等。然而，由于這些材料本身有著容易受溫度變化影響或性質(zhì)變化范圍較小的局限性，并不能完全達到人們對主動調(diào)制范圍、穩(wěn)定性和速度等要素的要求，因此探索實現(xiàn)可調(diào)超材料的新方法、新材料仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的課題。與之前的可調(diào)超材料相比，石墨烯超材料具有調(diào)制方便、調(diào)制范圍較大等優(yōu)勢。因此，利用石墨烯和超材料的混合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)太赫茲波的動態(tài)調(diào)制成為優(yōu)先發(fā)展方向，并且已經(jīng)取得了許多令人矚目的成果［15-17］。

2 石墨烯的特性及調(diào)制

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)，每一個碳原子都為SP2雜化，并且均提供一個p軌道上的電子形成一個大π鍵，由于π鍵中的電子是可以自由移動的，因此石墨烯具有良好的導(dǎo)電性。自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯作為一種新型的二維材料，吸引了物理學(xué)家，工程師和材料學(xué)家的廣泛關(guān)注，這是因為石墨烯具有獨特的機械、熱學(xué)、電磁學(xué)性質(zhì)，其在電磁學(xué)上的特性也為我們利用石墨來烯調(diào)制太赫茲波提供了可能。石墨烯的碳原子排列方式，決定了其具有獨特的圓錐狀的能帶結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)Fig.1 Band structure of graphene

這一能帶結(jié)構(gòu)使得石墨烯具有許多其他材料所不具有的性質(zhì)，包括常溫下的量子霍爾效應(yīng)［18］、可調(diào)節(jié)的薄層電導(dǎo)率［19］、很小的載流子等效質(zhì)量、非常大的平均自由程等［20］，因此無論是空穴還是自由電子，在石墨烯中均具有非常大的載流子遷移率，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過半導(dǎo)體，甚至大部分的金屬。因此石墨烯在高速電子器件中有著非常大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

在光電器件中，石墨烯的薄層電導(dǎo)率是一個非常重要的參數(shù)，一般來說石墨烯的電導(dǎo)率由電子的帶內(nèi)躍遷和帶間躍遷兩部分貢獻。在可見光和近紅外波段，光子能量較高，超出電子帶間躍遷的閾值，此時的電導(dǎo)率由帶內(nèi)躍遷和帶間躍遷共同決定；在太赫茲和遠(yuǎn)紅外等低頻段，光子能量較小，即費米能級｜EF｜??ω時，電子的帶內(nèi)躍遷起到?jīng)Q定性因素，因此我們可以忽略帶間躍遷的影響，將石墨烯的薄層電導(dǎo)率表示為［21］：

式中，KB為玻爾茲曼常數(shù)，e為電子電量，T為開爾文溫度，Γ為載流子散射率?？梢钥闯?，對于費米能級不是很小，即滿足｜EF｜?KBT的石墨烯，上式可以進一步簡化為Drude模型的形式［21］：

式中，D稱為Drude質(zhì)量，可以由下式表示：

式中，VF為費米速度，一般取值為VF=1×106m／s，n表示載流子濃度。同時，石墨烯的費米能級可以表示為：

其中各個符號的意義與前一表達式相同。由這3個表達式可以看出，石墨烯的薄層電導(dǎo)率與其費米能級EF緊密相關(guān)，利用這一點我們就可以實現(xiàn)對于石墨烯薄層電導(dǎo)率的動態(tài)調(diào)制。

一般來說，通過改變石墨烯的費米能級位置，可以對載流子的濃度和種類進行動態(tài)調(diào)制，如圖2所示。

圖2 石墨烯不同費米能級示意圖Fig.2 Schematic diagram of graphene Fermi energy level

當(dāng)費米能級位于導(dǎo)帶中時，主要載流子為自由電子；當(dāng)費米能級處于價帶中時，主要載流子為空穴；而當(dāng)費米能級恰好位于狄拉克點時，此時的載流子濃度達到最低，石墨烯的導(dǎo)電率也變得非常低，也正是因為如此，石墨烯器件具有很小的插入損耗，十分適合用于制作太赫茲波的調(diào)制器件。利用石墨烯的電導(dǎo)率可以大范圍動態(tài)調(diào)制的特性，可以實現(xiàn)對于太赫茲波的動態(tài)調(diào)制，這是其他的材料所不具有的特性。在實際使用中，通過改變石墨烯的費米能級，可以改變其載流子的濃度，進一步會引起薄層電導(dǎo)率的改變，從而改變太赫茲波的透射或反射特性。常用的方法主要有外加電場、磁場、光泵等等，下面我們主要綜述外加偏壓、光學(xué)泵浦或二者相互結(jié)合的方法。

3 電調(diào)制石墨烯器件

電調(diào)制就是利用外加電壓的方式，調(diào)制石墨烯中載流子的濃度，從而對石墨烯的電導(dǎo)率進行調(diào)制。受到二維電子氣調(diào)制結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，2011年，Sensale-Rodriguez等人考慮用單層的石墨烯來代替結(jié)構(gòu)中的金屬電極和電子氣層［15］，這樣不僅可以減小由于金屬電極的引入而帶來的較大插入損耗，而且可以大幅度提高器件的調(diào)制幅度。他們從理論上證明這種基于石墨烯的器件可以在5%～90%范圍內(nèi)對太赫茲波的透射進行調(diào)試，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于以前所提出的各種結(jié)構(gòu)。然而，這只是在理論上證明了用石墨烯調(diào)制太赫茲波的可行性，仍然缺少實驗的有力支持。

2012年，Sensale-Rodriguez等利用石墨烯與半導(dǎo)體混合結(jié)構(gòu)［22］，制作了一種反射式的太赫茲波幅度調(diào)制器件，并且通過電調(diào)制在0.62 THz處獲得了最大64%的調(diào)制，同時結(jié)構(gòu)的實際插入損耗被控制在2 dB以下。同年，他們又提出了另一種透射式的調(diào)制結(jié)構(gòu)［23］，其結(jié)構(gòu)及測量結(jié)果如圖3所示。

通過調(diào)整上下兩個極板間所加的偏壓，可以實現(xiàn)石墨烯費米能級的調(diào)制，從而改變其薄層電導(dǎo)率的數(shù)值，進而調(diào)制太赫茲波的透射幅度。這也是一種最經(jīng)典的石墨烯電調(diào)制方式，后續(xù)的許多研究都是基于此結(jié)構(gòu)發(fā)展而來的。在太赫茲波調(diào)制上，盡管其調(diào)制幅度有了一定的下降，最大只達到了15%，但是卻拓展了調(diào)制的帶寬，在0.57～0.63 THz范圍內(nèi)都有著近乎相同的調(diào)制幅度。上述的實驗結(jié)果有效地填補了基于石墨烯的太赫茲調(diào)制器件的空白，但是考慮到調(diào)制帶寬和調(diào)制幅度等因素，其調(diào)制結(jié)果并不能完全令人滿意，基于石墨烯的性質(zhì)，其調(diào)制幅度和帶寬仍有著很大的提升空間。

圖3 Sensale-Rodriguez制備的石墨烯太赫茲電調(diào)制器件Fig.3 Graphene terahertz electrical modulator fabricated by Sensale-Rodriguez

在上述研究基礎(chǔ)上，研究人員繼續(xù)提出新的方法以提高石墨烯電調(diào)制器件的性能?？偨Y(jié)起來，可以概述為以下幾種方法：（a）利用兩層石墨烯極板之間構(gòu)成的“超級電容器”結(jié)構(gòu)，大幅度增加整個結(jié)構(gòu)的電容，使得石墨烯層在很小的電壓下就有著非常大的電荷積累，可以增加對于透射太赫茲波的調(diào)制幅度；（b）將石墨烯與諧振結(jié)構(gòu)相互結(jié)合，利用兩者之間的有效耦合，實現(xiàn)高性能的調(diào)制作用；（c）利用特定結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電場的異常增強，再將石墨烯鋪在結(jié)構(gòu)上，在電場增強處就會出現(xiàn)非常強烈的吸收，從而大幅調(diào)制透射的太赫茲波；（d）還可以通過合理地選取基底、絕緣層等材料，實現(xiàn)對于調(diào)制器件性能的進一步優(yōu)化。采用上述這些方法，研究人員已經(jīng)制作出了一系列性能很好的太赫茲波調(diào)制器件。

2015年，YangWu等人利用兩片石墨烯制作出一種“超級電容器”結(jié)構(gòu)［24］。具體結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示。上下兩層均為單層的石墨烯電極，中間層為離子凝膠材料，當(dāng)加上偏壓后，由于離子液體和石墨烯中的載流子均聚集在距離交界面幾個納米的范圍內(nèi)，形成了典型的雙電層結(jié)構(gòu)，如圖4（b），從而使得石墨烯中的電場強度大幅增強，因此外加偏壓對于其費米能級的調(diào)制作用也獲得了很大增強。調(diào)制機理歸根結(jié)底還是對于上下兩層石墨烯極板中載流子濃度的調(diào)制，最初，上下兩層石墨烯均為p型，費米能級在狄拉克點附近，位于價帶之中，當(dāng)外加電壓較大，費米能級跨過狄拉克點時，對于底層的石墨烯，費米能級位于導(dǎo)帶之中，并隨著電壓增大而升高，對于頂層的石墨烯，費米能級位于價帶之中，并隨著電壓增大而不斷下降，這樣，上下兩層石墨烯的態(tài)密度均隨著偏壓增大而增大，可用于帶內(nèi)躍遷的電子增多，對于太赫茲波的吸收增強，因此太赫茲波的透射率不斷減小，實現(xiàn)了對于太赫茲波幅度的有效調(diào)制。當(dāng)上下極板均為單層石墨烯時，在3 V的外加偏壓下，不考慮器件多次反射的情況下，對于0.1～2.5 THz范圍內(nèi)的太赫茲波平均透射強度實現(xiàn)了83%左右的調(diào)制，如圖4（c）所示。這一數(shù)值明顯大于最初的石墨烯調(diào)制器件，說明在實現(xiàn)調(diào)制的過程中，離子凝膠的存在起到了非常重要的作用。但是這種結(jié)構(gòu)也有著一定的局限性，首先受到離子凝膠電化學(xué)窗口范圍的限制，外加電壓不能無限制的增大，一般不能超過3 V，并且由于整個結(jié)構(gòu)的電容很大，時間常數(shù)非常大，因此器件的充電時間就會比較長，對其調(diào)制速度會有比較大的限制。類似的結(jié)構(gòu)還有N.Kakenov等人于2015年所制作的結(jié)構(gòu)［25］。

圖4 基于離子凝膠電調(diào)制的石墨烯太赫茲調(diào)制器Fig.4 Graphene terahertz modulators by ionic liquid gating

采用石墨烯與諧振結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法也能有效提高器件的調(diào)制性能，尤其是在諧振峰的位置［26-28］。在諧振頻率處，影響太赫茲波透射幅度的主要因素是結(jié)構(gòu)的諧振情況，當(dāng)將一層石墨烯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到諧振結(jié)構(gòu)上，并對其費米能級進行電調(diào)制時，隨著其電導(dǎo)率的不斷增大，石墨烯的性質(zhì)由最初的半導(dǎo)體性向金屬性轉(zhuǎn)變，從而形成了一個新的載流子傳輸通道，對諧振結(jié)構(gòu)有一個非常強的“短路”作用，并進一步影響諧振頻率處的太赫茲波透射幅度。2012年，Seung Hoon Lee等人利用石墨烯與六邊形金屬共振結(jié)構(gòu)相結(jié)合，制作出太赫茲波幅度調(diào)制器件［29］。該器件雖然在1 THz附近的諧振頻率處獲得了最大50%的調(diào)制幅度，但是所加的調(diào)制電壓卻達到了400 V，不利于實際的使用。在此基礎(chǔ)上，2014年，Weilu Gao等人利用將金屬圓環(huán)結(jié)構(gòu)直接制作于石墨烯表面［30］，并對石墨烯進行偏壓調(diào)制，在0.4 THz處，獲得了50%的調(diào)制幅度，所加的調(diào)制電壓與之前相比有了大幅降低，僅為20 V，其結(jié)果如圖5所示。盡管有著不錯的調(diào)制幅度，但是我們可以明顯地看出，受到諧振結(jié)構(gòu)特性的影響，器件的調(diào)制帶寬都是非常有限，甚至只能在特定頻率處實現(xiàn)明顯的調(diào)制，這一點在某些要求帶寬的場合具有一定局限。

圖5 Weilu Gao等人制備的石墨烯太赫茲調(diào)制器Fig.5 Graphene terahertz electricalmodulator fabricated by Weilu Gao

如果可以在增強近場電場強度的同時，還能保證遠(yuǎn)場處與頻率無關(guān)的均勻透射，也就是利用非諧振結(jié)構(gòu)，那么就可以在保證較大調(diào)制幅度的同時，有效地增大器件的調(diào)制帶寬，金屬線柵結(jié)構(gòu)正好具有上述的透射特性。2015年，S.F.Shi等人將石墨烯與金屬線柵結(jié)構(gòu)相結(jié)合［31］，實現(xiàn)了對太赫茲波透射的動態(tài)調(diào)制。其結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示，其中金屬線柵的周期為20μm，線柵的縫寬為2μm，在這樣的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，通過實驗測定發(fā)現(xiàn)，對于0～2 THz范圍內(nèi)的太赫茲波，透射率幾乎為均勻的100%。這一高透射率來源于線柵結(jié)構(gòu)的特性，在線柵縫隙中的近場電場非常強，其在遠(yuǎn)場相互干涉的結(jié)果就是在這一頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了完全的透射。接著，將單層石墨烯轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)表面，并通過場效應(yīng)管與離子凝膠相結(jié)合的方式［32-33］對石墨烯的費米能級進行電調(diào)制，從而實現(xiàn)了對太赫茲波透射的調(diào)制。通過實驗測定，在0.33 V處，石墨烯處于電荷中性點，此時的石墨烯電導(dǎo)率最低，電場的平均透射幅度最大達到了84%，而當(dāng)外加偏壓為-1.75 V時，電場的平均透射幅度減小到了43%，如圖6（b）所示，有了一個較大幅度的調(diào)制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單獨單層石墨烯的調(diào)制幅度，這一增強來源于電場與石墨烯之間更強的相互作用，并且隨著反向偏壓的進一步增大，調(diào)制幅度還將進一步增大。利用這種方法，在不犧牲調(diào)制速度的情況下，同時獲得了較大的調(diào)制幅度，并且具有較大的帶寬，在0～2 THz內(nèi)均有著相近的調(diào)制幅度，美中不足的是，這種器件對入射太赫茲波的偏振有著嚴(yán)格的要求。類似地，Guozhen Liang等人利用石墨烯直接與量子級聯(lián)激光器太赫茲源相結(jié)合［34］，大幅度增強了與石墨烯層相互作用的電場強度，在幾十伏的外加電壓下，獲得了近乎100%的調(diào)制幅度。

圖6 S.F.Shi等制備的石墨烯太赫茲調(diào)制器Fig.6 Graphene terahertz electrical modulator fabricated by S.F.Shi

一般說來電調(diào)制器件都是由多種不同的材料構(gòu)成，包括石墨烯、半導(dǎo)體、絕緣體等等，通過材料的合理選擇及對其厚度等參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置，可以進一步對調(diào)制器件的幅度、速度、帶寬等性能進行優(yōu)化。從以前的研究成果中可以看出，由于一定厚度介質(zhì)層的存在，其中的諧振腔效應(yīng)會在一定程度上影響器件的調(diào)制帶寬，將調(diào)制器件的工作頻率限制在一個很小的范圍內(nèi)［23］，甚至某一頻率處［22］。為了對調(diào)制帶寬進行優(yōu)化，2015年，F(xiàn)enghua Shi等人提出了一種互補理論［35］，將石墨烯層置于兩層介質(zhì)層的中間，通過合理選擇介質(zhì)的厚度和光學(xué)參數(shù)，實現(xiàn)了較寬帶的調(diào)制。在最初的電調(diào)制器件中，通常選擇材料二氧化硅作為絕緣層［21］，受到絕緣層性質(zhì)的影響，器件的調(diào)制幅度和速度十分有限。2014年，Qi Mao等人利用三氧化二鋁代替二氧化硅作為絕緣層［36］，并進行了實驗測定和對比，在0.4～1.5 THz范圍內(nèi)獲得了22%的調(diào)制深度和170 kHz的調(diào)制速度，相比于原結(jié)構(gòu)均有了一定的提升。這也從側(cè)面說明，絕緣層介質(zhì)的性質(zhì)，會對石墨烯的性質(zhì)有著一定的影響，合理地選擇絕緣層材料，可以有效提升調(diào)制器件的性能。

由此可見，電調(diào)制石墨烯是一種常見而有效的調(diào)制方法，可以很方便地動態(tài)調(diào)制石墨烯的費米能級，從而實現(xiàn)對于太赫茲波的空間調(diào)制。但是，對于石墨烯材料而言，這并不是唯一的調(diào)制方法，還可以通過光泵或光泵與偏壓相結(jié)合的方法實現(xiàn)對石墨烯的調(diào)制。

4 光調(diào)制石墨烯器件

這里所說的光調(diào)制，其基本結(jié)構(gòu)是將石墨烯直接轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體的表面上，利用激光照射結(jié)構(gòu)表面，在光泵下，基底中會產(chǎn)生大量的光生載流子，由于基底中的光生載流子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石墨烯薄層中的濃度，因此在濃度差的驅(qū)使下，光生載流子不斷向石墨烯層擴散，使得石墨烯層的電導(dǎo)率升高，對于太赫茲波的吸收能力增強，有效地減小太赫茲波的透射幅度。

在光調(diào)制下，我們也可以獲得較大的調(diào)制幅度和較快的調(diào)制速度，但是相比于電調(diào)制結(jié)構(gòu)，光調(diào)制器件的研究還比較少。2012年，Peter Weis等人從實驗上證實了光調(diào)制石墨烯器件的可行性，及其具有的可觀的調(diào)制深度［37］，其基本結(jié)構(gòu)如圖7（a）。通過與純硅結(jié)構(gòu)的調(diào)制深度相對照，我們可以明顯地看出，基于石墨烯的結(jié)構(gòu)明顯有著更大的調(diào)制深度。這是因為石墨烯有著遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅的載流子遷移速率，因此同樣數(shù)量的載流子，對石墨烯電導(dǎo)率的影響要大得多，太赫茲波的吸收和反射效果也要強得多。在波長為750 nm，功率為40 mW的泵浦激光的作用下，石墨烯-硅混合結(jié)構(gòu)的調(diào)制幅度能夠達到68%左右，超出純硅結(jié)構(gòu)18%。隨著光泵能量的繼續(xù)增大，調(diào)制幅度也不斷增大，當(dāng)光泵能量達到500 mW時，透射太赫茲波幾乎完全消失，獲得了近似99%的調(diào)制，如圖7（b）。美中不足的是，該文章并沒有對器件的調(diào)制速度進行分析。

圖7 PeterWeis等制備的石墨烯太赫茲調(diào)制器Fig.7 Graphene terahertz opticalmodulator fabricated by Peter Weis

2014年，Qi-Ye Wen等人對于光調(diào)制石墨烯器件進行了進一步的分析［38］，通過將半導(dǎo)體基底替換為Ge材料，降低了對激光光子能量的要求，使用1 550 nm波長的激光就可以進行有效泵浦。同樣的，當(dāng)激光功率為400 mW時，在0.25～1 THz的范圍內(nèi)器件獲得了平均83%的調(diào)制幅度。與前者不同的是，文章中加入了對于光調(diào)制器件調(diào)制速度的分析，通過對于器件調(diào)制速度的測量，發(fā)現(xiàn)其調(diào)制速度可以達到200 kHz，由于這一調(diào)制速度主要受到Ge中載流子壽命的限制，如果能夠繼續(xù)降低Ge中載流子壽命，可以進一步提高調(diào)制速度。

在太赫茲波段，對于光調(diào)制石墨烯器件的研究要明顯少于電調(diào)制結(jié)構(gòu)，但是從上述總結(jié)中可以看出，光調(diào)制有著不輸于電調(diào)制的調(diào)制深度，并且也有較快的調(diào)制速度，具有一定的發(fā)展?jié)摿?。盡管如此，光調(diào)制結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中局限性仍然較大，激光泵浦遠(yuǎn)沒有加偏壓調(diào)制的方法簡單易行，這些有待進一步研究和改進。

5 光電混合調(diào)制石墨烯器件

上述調(diào)制方法都是用單一的電或光對石墨烯進行調(diào)制，如果能將二者結(jié)合起來，那么也許就能獲得更好的調(diào)制效果，實現(xiàn)更加靈活的調(diào)制。光電混合調(diào)制的方法就是綜合電、光調(diào)制的一種方法，其基本原理是利用泵浦光將基底半導(dǎo)體中的載流子激發(fā)出來，再通過外加的偏壓調(diào)制載流子的運動方向，從而調(diào)制石墨烯的載流子濃度。這種調(diào)制方法更加靈活，對于正反偏壓可以有著完全不同的響應(yīng)方式，并且已經(jīng)取得一些階段性的成果［39］。

2015年，Quan Li等人利用光電混合調(diào)制的方法，實現(xiàn)了石墨烯器件對于太赫茲波透射幅度的有效調(diào)制，其結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示［40］。在實驗中，利用532 nm的連續(xù)激光對硅基底進行泵浦，產(chǎn)生大量的電子-空穴對，在濃度差的驅(qū)使下，硅中的光生電子向石墨烯中擴散，直到達到平衡狀態(tài)，此時，在兩種材料之間形成了一個類似PN結(jié)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)加上正向偏壓時“PN結(jié)”處于導(dǎo)通狀態(tài)，載流子無法在石墨烯層中積累，因此太赫茲波的透射幅度不受光泵功率或偏壓的影響。當(dāng)加上反向的偏壓時，“PN結(jié)”中的耗盡層增厚，整個結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個電容器結(jié)構(gòu)，因此隨著反向偏壓增大，石墨烯層中的電子濃度不斷增大，太赫茲波的透射幅度不斷減小，并且隨著光泵功率的提高，減小的幅度也不斷增大。在140 mW的光泵功率下，當(dāng)偏壓從0 V變化到-3 V時，對于時域信號峰的峰值調(diào)制達到了51%，而在420 mW的光泵功率下，當(dāng)偏壓從0 V變化到-4 V時，調(diào)制幅度達到了83%，如圖8（b）所示。在很小的電壓下就實現(xiàn)了較大幅度的調(diào)制，獲得了比較理想的調(diào)制效果。

圖8 Quan Li等人制備的石墨烯太赫茲調(diào)制器Fig.8 Graphene terahertz optical modulator fabricated by Quan Li et al.

在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，2015年，Ran Jiang等人利用在石墨烯和硅基底中間加入的Si∶HfO2材料［41］，實現(xiàn)了在正反兩個方向偏壓下均具有調(diào)制效應(yīng)的器件。當(dāng)加上正向偏壓時，盡管光生載流子無法直接擴散進入石墨烯層中，但卻可以通過電子隧穿的方式穿過Si∶H fO2層，在石墨烯層中積累，使得透射太赫茲波幅度明顯地減小，隨著光泵能量的增強，這一效應(yīng)也不斷增強。當(dāng)加上反向偏壓后，整個結(jié)構(gòu)變成了一個電容器，從而實現(xiàn)對透射太赫茲波幅度的調(diào)制。當(dāng)電壓從0 V變化到-3 V時，獲得了74%的峰值調(diào)制幅度；當(dāng)電壓從0 V增大到14 V時，在400 mW的光泵下，調(diào)制幅度達到37%，說明電子隧穿效應(yīng)對石墨烯層中電子的濃度有著非常明顯的影響。

從上述成果中我們可以看出，相比于單獨的電、光調(diào)制，盡管混合調(diào)制的方法實現(xiàn)起來更加困難，但是這種調(diào)制方法卻更加靈活，可以通過器件的設(shè)計來實現(xiàn)不同的調(diào)制功能，也較容易獲得大幅度的調(diào)制。因此，這也是未來石墨烯調(diào)制器件的一個發(fā)展方向。

6 石墨烯表面等離激元

石墨烯還具有一個非常引人矚目的特性，就是石墨烯可以支持太赫茲波到紅外波段的表面等離激元。表面等離激元學(xué)是光子學(xué)的一個重要分支，近些年來受到了越來越多的關(guān)注，這是因為其在超材料、生物傳感、光電池器件等領(lǐng)域都有著非常重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的用于支持表面等離激元的材料一般為貴金屬材料，如金、銀等，但是隨著頻率的降低，特別是在紅外和太赫茲波段，金屬表面等離激元的束縛會變得越來越弱，損耗也會越來越大，而在這一波段，石墨烯表面等離激元具有光場束縛更強和損耗較小的優(yōu)勢，并且石墨烯本身還可以通過電壓和光泵等方式進行調(diào)制，這也為實現(xiàn)可調(diào)表面等離激元器件奠定了基礎(chǔ)，因此研究太赫茲波段的石墨烯表面等離激元是非常有意義的［42］。

通過將石墨烯制成不同的結(jié)構(gòu)，可以更加容易地實現(xiàn)表面等離激元的激發(fā)，最典型的如線柵型結(jié)構(gòu)和圓盤狀結(jié)構(gòu)等。利用這種方法，科學(xué)家們成功地實現(xiàn)了從紅外［43-44］到太赫茲波段［45］的石墨烯表面等離激元器件，這些研究使利用石墨烯表面等離激元器件來制作太赫茲波段的調(diào)制器件成為可能。2015年，Peter Q.Liu等人將石墨烯帶結(jié)構(gòu)與金屬諧振結(jié)構(gòu)相結(jié)合，利用金屬諧振模式與石墨烯表面等離激元模式的耦合，實現(xiàn)了對于太赫茲波的動態(tài)調(diào)制，如圖9所示［46］。在實驗中，受到石墨烯質(zhì)量的限制，器件在調(diào)制幅度上仍然比較有限，因此還有這較大的提升空間，這一成果也為利用石墨烯表面等離激元制作太赫茲調(diào)制器件提供了新的思路。石墨烯表面等離激元有望在太赫茲幅度調(diào)制器件、太赫茲吸收器件、太赫茲偏振器件等方向發(fā)揮更大的作用。

圖9 基于石墨烯表面等離激元的太赫茲調(diào)制器件Fig.9 Graphene surface plasmons based terahertzmodulator

7 結(jié)束語

綜上所述，本文主要介紹了在太赫茲波動態(tài)調(diào)制器件中石墨烯材料的應(yīng)用及調(diào)制機理，分析了不同動態(tài)調(diào)制石墨烯的方法，包括電調(diào)制、光調(diào)制、光電混合調(diào)制，及近年來利用不同調(diào)制方法，所實現(xiàn)的太赫茲波動態(tài)調(diào)制器件的優(yōu)勢與不足。當(dāng)然，石墨烯的應(yīng)用不僅僅局限在對太赫茲波的幅度調(diào)制上，利用其優(yōu)良的光電特性，石墨烯也可以應(yīng)用于其他的調(diào)制器件，包括太赫茲波可調(diào)制吸收體［47-48］、動態(tài)偏振調(diào)制器件［49］、可調(diào)制濾波器［50］等等。

盡管石墨烯在太赫茲波動態(tài)調(diào)制器件上有著非常廣闊的應(yīng)用前景，但是仍存在許多沒有解決的問題，例如：（1）受到石墨烯制作工藝的限制，石墨烯結(jié)構(gòu)中會具有一定缺陷，達不到理論上的的電光性能，這在一定程度上限制了石墨烯太赫茲調(diào)制器件的發(fā)展；（2）由于石墨烯本身電導(dǎo)率與頻率有關(guān)，在調(diào)制的過程中，對不同頻率的電磁波，電導(dǎo)率的變化情況并不完全相同，調(diào)制的幅度也就會存在一定的差別，這也在一定程度上限制了調(diào)制帶寬；（3）對于調(diào)制器件，人們往往期望其具有較大的調(diào)制幅度、很快的響應(yīng)速度以及足夠的調(diào)制帶寬，然而從過去的研究中我們看到，這些往往是不能同時實現(xiàn)的。可見，要想將石墨烯調(diào)制器件應(yīng)用在實際中，還有很長的一段路要走，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，有必要在這一新興的領(lǐng)域中開展更加廣泛和深入的研究。

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作者簡介：

陳勰宇（1993—），男，遼寧阜新人，碩士研究生，主要從事石墨烯與太赫茲波相互作用的研究。E-mail：chenxieyu＠tju. edu.cn

田 震（1981—），男，河北滄州人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事太赫茲科學(xué)與技術(shù)、光與物質(zhì)相互作用和人工電磁微結(jié)構(gòu)方面的研究，E-mail：tianzhen＠tju.edu.cn

Recent progress in terahertz dynam ic modulation based on graphene

CHEN Xie-yu1，2，TIAN Zhen1，2*
（1．Key Laboratory of Optoelectronics Information and Technology，Ministry of Education，School of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2．Center for TerahertzWaves，Tianjin University，Tianjin 300072，China）*Corresponding author，E-mail：tianzhen＠tju．edu．cn

Graphene is a two-dimensionalmaterial and has unique electrical and optical properties，which has been widely used in the research of terahertzwave dynamicmodulation in recent years.In this paper，we reviews the terahertzwave dynamic modulation device based on graphene，analyze the principle and advantages and disadvantages of three kind ofmodulation methods such as electricalmodulation，opticalmodulation and photoelectric hybridmodulation.We introduce a seriesof research achievementson the application ofgraphene in THzwave dynamic modulation in recent years，compare and analyze the advantages and disadvantages of themodulation performance ofdifferent devices.Graphene tunablemetamaterial provides a new way to achieve more rapid and efficient terahertzmodulator.

terahertz；graphene；modulation

O439

：A

10.3788／CO.20171001.0086

2095-1531（2017）01-0086-12

2016-09-13；

2016-10-20

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（No.2014CB339800）；國家自然科學(xué)基金資助項目（No.

61427814，No.61138001，No.61422509）

Supported by National Program on Key Basic Research Projects of China（No.2014CB339800）；National Natural Science Foundation of China（No.61427814，No.61138001，No.61422509）