基于石墨烯的电磁波传输特性及射频无源器件的基础研究

RF Circuit Technology, as the commanding point in technology seized by scientists in different coutries, is an important branch of the Information Communication Technology (ICT) and Military Industry Field. Since the graphene shows various advantages in High Frequency Circuit Field (HFCF), it becomes very hot material in RF research and been regarded as the best candidated for next generation RF circuit design in 100 GHz-300 GHz. This project will deeply investigate the transmission characteristic of electrmagnetic wave in graphene at the frequency range of 100 GHz-300 GHz; explore design methodology of the novel graphene-based RF passive devices; show feasible measurement approach to test the operation paramenters of the graphene-based passive devices; and provide the reliable research basic for the further research in graphene RF field.

射频电路技术是信息通信技术领域和军事工业领域一个重要的分支，一直是各国科学家竞相争取的科技制高点。而石墨烯作为近年来非常热门的新材料，以及它在高频电路领域中所体现出来的优势，被认为是下一代100GHz-300GHz频段内射频器件的最佳选择。本项目将深入研究100GHz-300GHz频段内电磁波在石墨烯中的传输特性；探索基于石墨烯的新型射频无源器件的设计方案；提出可行的测量方法测试石墨烯无源器件的工作参数，为石墨烯在射频领域的进一步研究提供可靠的基础。

电子信息器件是信息通信技术领域和军事工业领域一个重要的组成部分，一直是各国科学家竞相争取的科技制高点。随着技术的发展，对于新型小型化，高性能，低功耗和高可靠性的元器件的需要不断增长。而石墨烯则具有电导率高、导热性能好、机械强度大和化学性质较为稳定等优点，是一种在电磁场与微波领域具有广泛应用前景的材料。本项目着重从基于石墨烯的精确建模、新型表征方法以及新射频无源器件的设计分析等三个方面入手，开展了大量的研究工作并取得了较好的进展。. 首先我们通过数学建模，分析了衬底、掺杂浓度、层数等因素对石墨烯的电性能的影响。并发现采用高阻值、表面晶格缺陷少、分子结构同为六边形排布的氮化硼作为衬底可以使衬底对石墨烯的影响降至最低；通过化学或者电磁偏压的方式可以改变石墨烯的掺杂浓度，从而改变石墨烯的电磁特性，可以应用于可调元器件，并且随着掺杂浓度增加，石墨烯的导电性能逐渐改善；石墨烯纳米带的边缘会影响载流子在其边界的散射情况，并对石墨烯纳米带的性能有较大影响；此外，在少数几层的范围内，多层石墨烯可以简单看作是并联。. 然后我们基于石墨烯在波导中的等效电路模型，发展了一套使用同轴连接器结合Raman谱表征的非接触测量方法，在不接触石墨烯样品的条件下可以确定样品的表面电导率以及弛豫时间，并且可以避免去嵌入步骤。. 最后，基于石墨烯及其复合材料，本项目通过仿真与实验分别探索了石墨烯在互连、天线和周期结构等方面的应用潜力。基于石墨烯纳米带的模型，我们得到了石墨烯纳米带构成的不同互连结构的信号传输特性；通过仿真研究了石墨烯复合材料应用于柔性透明天线的性能以及偏置、形变等因素对天线性能的影响，并且在实验中证明石墨烯作为天线终端可以增加天线的工作频带但是会使Q值有下降；利用石墨烯支持的等离子谐振，分别设计并仿真了基于石墨烯条带的三维可调频率选择性表面和吸波结构，并展现出优良的性能。