石墨烯的高频电磁特性及其微波近场响应的研究

Graphene has excellent performance of ultra-high frequency operation response. New characterization methods to test accurately high frequency properties of graphene are needed to be improved which is distinguished from traditional testing for average properties. Localized high frequency properties of graphene will be studied to improve fabrication process and the quality of grapheme, which can lay the foundation for future device-level research. This project aims at characterization of high frequency and near-field electromagnetic properties of new materials (like graphene). We plan to apply microwave cavity perturbation method with computer-aided correction, to achieve accurate testing of high-frequency electromagnetic properties on small, arbitrary shape graphene samples. Based on near-field microwave testing system, microwave energy can be concentrated in tip of the probe, and electromagnetic properties can be achieved through near-field microwave resonant of film samples. Patterned film and defects can be detected on near-field microwave mapping. Different doping and surface treated graphene will be tested to verify this method. This testing system and method may be promoted to form a general method for characterizing high-frequency electromagnetic properties of new materials.

石墨烯具有超高频率操作响应的优异性能。为发展其在高频电路中的应用，亟需发展一种区别于传统的测试材料平均高频特性的表征手段和测试方法，精确的探测石墨烯的高频特性,研究不同条件下石墨烯的局域高频性能，以改进制作工艺和提升石墨烯的质量，为今后器件级的研究打下基础。本研究主要针对目前难以测试的新材料（如石墨烯）的高频电磁特性表征和近场电磁特性表征的需求，拟采用算机辅助修正的微波谐振腔微扰法测试，以实现对少量、任意形状石墨烯样品的高频电磁特性的准确测试。采用微波近场测试系统，将微波能量集中到微波探针的近场区域中，通过薄膜样品的微波近场响应获取高频电磁特性。对薄膜进行微波近场成像，可用于检验具有图案结构的薄膜样品和探测缺陷。将采用不同掺杂和表面处理的石墨烯样品验证上述的高频及近场测试方法，该测试系统将可能推广并形成对新型材料高频电磁特性测试和表征的一般方法。

石墨烯具有超高频率操作响应的优异性能。为发展其在高频电路中的应用，亟需发展一种区别于传统的测试材料平均高频特性的表征手段和测试方法，精确的探测石墨烯的高频特性，研究不同条件下石墨烯的局域高频性能，以改进制作工艺和提升石墨烯的质量，为今后器件级研究和大力发展石墨烯产业打下基础。本项目主要针对新材料（如石墨烯）的高频电磁特性表征的需求，采用微波谐振腔微扰法测试结合微波近场测试，将微波能量集中到微波探针的近场区域中，通过样品的微波近场响应获取高频电磁特性。对样品进行微波近场成像，可用于检验具有图案结构的样品和探测样品缺陷。采用标准介电材料样品、金属样品以及不同的石墨烯样品验证上述的微波近场测试方法，该方法可能推广成为新型材料高频电磁特性测试和表征的一般方法。.该项目的研究按计划进行，研究目标已基本完成。设计和搭建了一套计算机控制的微波近场测试系统，可实现微波定点测试、微波扫描成像的功能。用标准样品（如标准介质、金属块材）等进行了测试和标定，该系统运行稳定，测试结果可靠。该系统给出了一种无损检测样品，结合计算机仿真修正提取电磁参数的方法，且具有微探针和扫描成像的功能，可广泛应用于多种新材料以及微结构的测试和表征，发展为一种标准测试方法。.制备了一系列不同掺杂和表面处理的石墨烯样品，用于微波近场测试。对石墨烯样品的微波近场测试的初步结果表明，石墨烯对微波近场响应明显。从S参数上可以敏锐的区分出外观、形貌类似的石墨烯样品。石墨烯样品呈现复杂的电磁学特性，未充分氧化还原的石墨烯样品既具有很大的介电常数实部，也存在由于高电阻导致的微波能量损耗。如电泳法、化学法等制备大规模石墨烯的方法很难做到控制石墨烯质量，而大力发展石墨烯产业，大规模制备石墨烯必须以石墨烯产品的质量监控为保障。本项目给出的微波近场测试石墨烯的方法，给出了一种快速、无损表征石墨烯缺陷、控制石墨烯质量的方法。