基于石墨烯的传输线结构及其特性研究

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传输线是射频、微波集成电路中的一种重要无源器件,它被广泛应用于电路中器件间的相互连接。石墨烯是一种原子层厚的二维晶体,它具有很多优良的特性,例如极高的电子迁移率、微米尺度的平均自由程、能够承载很高的电流密度、很高的热导率等,这使得石墨烯在射频、微波集成电路领域有很大的应用前景。本论文展示了基于石墨烯的共面波导的研制及高频传输特性,并研究了共面波导结构尺寸对石墨烯共面波导高频传输特性的影响。  本论文首先介绍了传输线的理论分析方法、共面波导的结构及特点,之后在0 GHz~40 GHz的频段范围内对微米尺度厚的铜和石墨共面波导进行了HFSS模拟仿真,包括不同衬底材料(50S/m和0.01S/m的硅)、信号线宽度(10μm、15μm、20μm、25μm)、信号线厚度(1μm、2μm、3μm、4μm、5μm)、信号线-地线间间距(1μm、5μm、10μm、15μm、20μm)、地线宽度(90μm、100μm、110μm、120μm、130μm)以及SiO2介质层厚度(1μm、5μm、10μm、15μm、20μm)的共面波导结构,研究并得到了这些参数对共面波导高频传输特性的影响规律。  为实现共面波导的制备本论文采用了CVD合成的石墨烯,并利用光学显微镜、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、原子力显微镜等设备对石墨烯进行了表征。通过对石墨烯进行电子束曝光、ICP刻蚀等工艺操作本论文成功制备了不同结构尺寸的石墨烯共面波导,并对它们进行了直流及高频测试,结果表明基于石墨烯的共面波导确实能够传输高频信号,但它的传输特性差于金属共面波导,石墨烯共面波导在高频信号传输过程中的能量损耗为25dB/100μm,而金属(钛/金)共面波导的损耗为2dB/100μm。通过对石墨烯共面波导直流电阻的分析,发现石墨烯共面波导的直流电阻为1500Ω,其中石墨烯的本征电阻为300Ω,石墨烯-金属间的接触电阻为1200Ω,为降低石墨烯共面波导的损耗,需要获取高质量的石墨烯和低接触电阻的石墨烯-金属接触。同时,本文还对影响石墨烯共面波导传输特性的结构因素进行了实验研究,如信号线的宽度(5μm、10μm、20μm、30μm)、信号线-地线间的间距(5μm、20μm、30μm、50μm)、地线的宽度(0μm、25μm、50μm)、地线导体所选用的材料等,对这些参数进行优化能够进一步降低石墨烯共面波导的能量损耗。  最后本论文提出了几种基于石墨烯的新型传输线结构及制备方案,以期为将来全碳电路的实现奠定一定基础。  
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