本發(fā)明屬于太赫茲功能器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器。

背景技術(shù)：

THz波通常是指波長(zhǎng)處在3mm到30μm(頻率在0.1THz到10THz)的電磁波，在電磁波譜中處于微波與紅外波之間。THz在電磁波譜中的位置決定了THz波具有微波和紅外波少有的性能，主要包括瞬態(tài)性、相干性、寬譜性、低光子能量等特性，使得THz波相對(duì)于其他波段的電磁波顯示出特殊的性質(zhì)。近年來(lái)，隨著光學(xué)、半導(dǎo)體學(xué)、電子學(xué)以及微加工等技術(shù)的不斷成熟，THz技術(shù)也成為了研究熱點(diǎn)。

THz技術(shù)作為一種新興學(xué)科，在發(fā)展的過程中必然會(huì)有不少的瓶頸，其中就包括THz調(diào)制器件的匱乏，特別是關(guān)于磁控調(diào)制和使用磁性材料的太赫茲調(diào)制器?，F(xiàn)有的THz調(diào)制器件的中間介質(zhì)層大多使用SiO₂、Al₂O₃等介質(zhì)作為中間層材料，存在調(diào)制速率低、寬帶窄、調(diào)制幅度小等缺陷，不能適應(yīng)未來(lái)太赫茲波通信系統(tǒng)的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)存在的缺陷，提出了一種新型的基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器。該太赫茲波調(diào)制器采用具有高飽和磁化強(qiáng)度、低矯頑力的MnZn鐵氧體磁性薄膜作為中間層，具有調(diào)制頻率寬、透射率高等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器，包括自下而上依次層疊的P型硅襯底(3)、錳鋅鐵氧體薄膜(2)和石墨烯層(1)，源端(4)，漏端(5)和柵端(6)，其中，錳鋅鐵氧體薄膜(2)采用濺射法制備得到。

進(jìn)一步地，所述錳鋅鐵氧體薄膜(2)的厚度為200～500nm。

進(jìn)一步地，所述錳鋅鐵氧體薄膜的制備過程具體為：

步驟1.錳鋅鐵氧體靶材的制備：

1.1使用化學(xué)共沉積法制備氧化物粉末：將可溶性鐵鹽、可溶性錳鹽和可溶性鋅鹽分別加入去離子水中，攪拌混合均勻，然后加入強(qiáng)堿，發(fā)生中和反應(yīng)后，形成絮狀金屬氫氧化物沉淀，過濾，在溫度小于500℃下加熱，并且烘干，即可得到納米粒度的Fe₂O₃粉末、MnO₂粉末和ZnO粉末；其中，可溶性鐵鹽、可溶性錳鹽和可溶性鋅鹽的摩爾比為4:1:1；

1.2將步驟1.1得到的納米粒度的Fe₂O₃粉末、MnO₂粉末和ZnO粉末使用球磨機(jī)混合均勻，在950℃～1000℃下預(yù)燒2小時(shí)，得到預(yù)燒料；

1.3將步驟1.2得到的預(yù)燒料研磨為微米級(jí)粉體，并壓制形成毛坯靶后，在1200～1250℃溫度下、氧氣氣氛下燒結(jié)3～4h，冷卻后取出，經(jīng)三維收縮和表面光潔度處理，得到錳鋅鐵氧體靶材；其中，氧氣的氣體流量為0.1-1sccm；

步驟2、錳鋅鐵氧體薄膜的制備：以步驟1得到的錳鋅鐵氧體靶材作為濺射靶材，采用射頻磁控濺射法在P型硅襯底表面沉積錳鋅鐵氧體薄膜，然后置于真空環(huán)境中進(jìn)行退火處理，退火溫度為350℃～750℃，退火真空度為0.08Pa～5.0Pa，退火時(shí)間為1.5～2h；其中，濺射時(shí)背底真空為小于1×10^-4Pa，濺射氣體為氬氣和氧氣的混合氣體，其中P_O2/(P_O2+P_Ar)(混合氣體中氧氣壓與氣體總壓比)為0.1％～25％，濺射氣壓為0.2～0.8Pa，濺射功率為90～180W，襯底表面溫度為200℃～300℃。

進(jìn)一步地，所述P型硅襯底(3)為采用硼(B)摻雜的P型Si，其電阻率為4.6～5.2Ω·cm、摻雜濃度為(1.6～2.5)×10¹⁵cm^-3、摻雜空穴遷移率為1500cm²/v·s。

一種基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、錳鋅鐵氧體靶材的制備：

1.1使用化學(xué)共沉積法制備氧化物粉末：將可溶性鐵鹽、可溶性錳鹽和可溶性鋅鹽分別加入去離子水中，攪拌混合均勻，然后加入強(qiáng)堿，發(fā)生中和反應(yīng)后，形成絮狀金屬氫氧化物沉淀，過濾，在溫度小于500℃下加熱，并且烘干，即可得到納米粒度的Fe₂O₃粉末、MnO₂粉末和ZnO粉末；其中，可溶性鐵鹽、可溶性錳鹽和可溶性鋅鹽的摩爾比為4:1:1；

1.2將步驟1.1得到的納米粒度的Fe₂O₃粉末、MnO₂粉末和ZnO粉末使用球磨機(jī)混合均勻，在950℃～1000℃下預(yù)燒2小時(shí)，得到預(yù)燒料；

1.3將步驟1.2得到的預(yù)燒料研磨為微米級(jí)粉體，并壓制形成毛坯靶后，在1200～1250℃溫度下、氧氣氣氛下燒結(jié)3～4h，冷卻后取出，經(jīng)三維收縮和表面光潔度處理，得到錳鋅鐵氧體靶材；其中，氧氣的氣體流量為0.1-1sccm；

步驟2、錳鋅鐵氧體薄膜的制備：以步驟1得到的錳鋅鐵氧體靶材作為濺射靶材，采用射頻磁控濺射法在P型硅襯底表面沉積錳鋅鐵氧體薄膜，然后置于真空環(huán)境中進(jìn)行退火處理，退火溫度為350℃～750℃，退火真空度為0.08Pa～5.0Pa，退火時(shí)間為1.5～2h；其中，濺射時(shí)背底真空為小于1×10^-4Pa，濺射氣體為氬氣和氧氣的混合氣體，其中P_O2/(P_O2+P_Ar)(混合氣體中氧氣壓與氣體總壓比)為0.1％～25％，濺射氣壓為0.2～0.8Pa，濺射功率為90～180W，襯底表面溫度為200℃～300℃；

步驟3、采用CVD法或SiC熱裂解法制備石墨烯；

步驟4、將步驟3得到的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到步驟2形成的錳鋅鐵氧體薄膜上，然后在石墨烯薄膜上形成源端(4)和漏端(5)，在P型Si襯底上形成柵端(6)，使P-Si和錳鋅鐵氧體薄膜形成PN結(jié)；得到本發(fā)明所述基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器。

進(jìn)一步地，步驟1.1所述可溶性鐵鹽為Fe(NO₃)₃、FeCl₃等，所述可溶性錳鹽為Mn(NO₃)₃、MnCl₃等，所述可溶性鋅鹽為Zn(NO₃)₂、ZnCl₂等。

進(jìn)一步地，步驟1.1所述強(qiáng)堿為NaOH、KOH等。

進(jìn)一步地，步驟3所述CVD法制備石墨烯的具體過程為：將銅箔放入管式爐中，在30min內(nèi)由室溫升溫至950～1105℃，保溫1～2h，整個(gè)過程中通入流量為10sccm的氫氣作為保護(hù)氣體，得到具有催化性質(zhì)的銅，利于對(duì)石墨烯進(jìn)行催化；然后向管式爐內(nèi)通入甲烷和氫氣的混合氣體直至氣體氣壓為280～320Pa，其中，甲烷的流量為1sccm，氫氣的流量為50sccm，保持4～6min；打開爐子進(jìn)行降溫，此時(shí)繼續(xù)通入甲烷和氫氣，待溫度降低到180～220℃時(shí)，關(guān)閉氣體，冷卻至室溫后取出，即可在銅箔表面形成石墨烯。

進(jìn)一步地，步驟4所述將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到錳鋅鐵氧體薄膜上的具體過程為：在步驟3得到的石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，在刻蝕液中刻蝕掉銅后，晾干，然后將PMMA/Graphene(石墨烯)復(fù)合薄膜放入丙酮中，去除PMMA，即可得到石墨烯薄膜；然后將得到的石墨烯薄膜層疊到步驟2形成的錳鋅鐵氧體薄膜上。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供的基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器是通過在襯底上濺射具有高飽和磁化強(qiáng)度、低矯頑力的MnZn鐵氧體磁性薄膜，再在其上形成石墨烯層得到的，通過比較石墨烯與MnZn鐵氧體薄膜的電阻率、遷移率及載流子濃度可知，該太赫茲波調(diào)制器的Graphnen/MnZn/p-Si結(jié)構(gòu)是一個(gè)CMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，柵極電壓可控制源端和漏端之間的電流，而MnZn鐵氧體薄膜作為柵極和源端、漏端之間的隔離；本發(fā)明采用具有良好的電磁能量轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)腗nZn鐵氧體薄膜作為中間介質(zhì)層材料，得到的太赫茲波調(diào)制器調(diào)制頻率寬、透射率高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1為石墨烯層，2為錳鋅鐵氧體薄膜，3為P型硅襯底，4為源端，5為漏端，6為柵端；

圖2為實(shí)施例基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器在0.2～1.0Thz頻率下不同柵源電壓(Vsg)的太赫茲透射調(diào)制測(cè)試曲線；

圖3為實(shí)施例基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器中采用200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm厚度的錳鋅鐵氧體薄膜時(shí)的磁性飽和磁化強(qiáng)度Ms(Saturation magnetization)和矯頑力Hc(Coercive force)性能測(cè)試曲線；

圖4為實(shí)施例基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器在100W、120W、140W、160W、180W濺射功率下得到的錳鋅鐵氧體薄膜的XRD圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。

實(shí)施例

如圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器，包括自下而上依次層疊的P型硅襯底(3)、錳鋅鐵氧體薄膜(2)和石墨烯層(1)，源端(4)，漏端(5)和柵端(6)，其中，錳鋅鐵氧體薄膜(2)采用濺射法制備得到。

進(jìn)一步地，所述錳鋅鐵氧體薄膜(2)的厚度為200～500nm。

本發(fā)明還提供了一種基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、錳鋅鐵氧體靶材的制備：

1.1使用化學(xué)共沉積法制備氧化物粉末：將Fe(NO₃)₃、Mn(NO₃)₃、Zn(NO₃)₂分別加入去離子水中，攪拌混合均勻，然后加入強(qiáng)堿NaOH，發(fā)生中和反應(yīng)后，形成絮狀金屬氫氧化物沉淀，過濾，在溫度小于500℃下加熱，并且烘干，即可得到納米粒度的Fe₂O₃粉末、MnO₂粉末和ZnO粉末；其中，F(xiàn)e(NO₃)₃、Mn(NO₃)₃、Zn(NO₃)₂的摩爾比為4:1:1；

1.2將步驟1.1得到的納米粒度的Fe₂O₃粉末、MnO₂粉末和ZnO粉末使用球磨機(jī)混合均勻，在1000℃下預(yù)燒2小時(shí)，得到預(yù)燒料；

1.3將步驟1.2得到的預(yù)燒料研磨為1.0μm的粉體，并壓制成直徑Φ＝70mm、厚度4mm的毛坯靶后，在1250℃溫度下、氧氣氣氛下燒結(jié)3.5h，冷卻后取出，經(jīng)三維收縮和表面光潔度處理，得到直徑Φ＝60mm、厚度2mm的錳鋅鐵氧體靶材；其中，氧氣的氣體流量為0.1sccm；

步驟2、錳鋅鐵氧體薄膜的制備：以步驟1得到的錳鋅鐵氧體靶材作為濺射靶材，采用射頻磁控濺射法在P型硅襯底表面沉積厚度為200nm的錳鋅鐵氧體薄膜，然后置于真空環(huán)境中進(jìn)行退火處理，退火溫度為550℃，退火真空度為0.6Pa，退火時(shí)間為1.5h；其中，濺射時(shí)背底真空為1×10^-5Pa，濺射氣體為氬氣和氧氣的混合氣體，其中P_O2/(P_O2+P_Ar)(混合氣體中氧氣壓與氣體總壓比)為5％，濺射氣壓為0.6Pa，濺射功率為90W，襯底表面溫度為200℃；

步驟3、采用CVD法制備石墨烯：將銅箔放入管式爐中，在30min內(nèi)由室溫升溫至1005℃，保溫1h，整個(gè)過程中通入流量為10sccm的氫氣作為保護(hù)氣體，得到具有催化性質(zhì)的銅，利于對(duì)石墨烯進(jìn)行催化；然后向管式爐內(nèi)通入甲烷和氫氣的混合氣體直至氣體氣壓為300Pa，其中，甲烷的流量為1sccm，氫氣的流量為50sccm，保持6min；打開爐子進(jìn)行降溫，此時(shí)繼續(xù)通入甲烷和氫氣，待溫度降低到200℃時(shí)，關(guān)閉氣體，冷卻至室溫后取出，即可在銅箔表面形成石墨烯；

步驟4、將步驟3得到的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到步驟2形成的錳鋅鐵氧體薄膜上：在步驟3得到的石墨烯表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，在刻蝕液中刻蝕掉銅后，晾干，然后將PMMA/Graphene(石墨烯)復(fù)合薄膜放入丙酮中，去除PMMA，即可得到石墨烯薄膜；然后將得到的石墨烯薄膜層疊到步驟2形成的錳鋅鐵氧體薄膜上；

步驟5、在石墨烯薄膜上形成源端(4)和漏端(5)，在P型Si襯底上形成柵端(6)，使P-Si和錳鋅鐵氧體薄膜形成PN結(jié)，如圖1所示；得到本發(fā)明所述基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器。

本實(shí)施例中的P型硅襯底(3)為采用硼(B)摻雜的P型Si，其電阻率為4.6～5.2Ω·cm、摻雜濃度為(1.6～2.5)×10¹⁵cm^-3、摻雜空穴遷移率為1500cm²/v·s；制得的石墨烯薄膜的常溫載流子遷移率為15000cm²/v·s，空穴濃度等于電子濃度，電阻率為10^-6Ω·cm；制得的錳鋅鐵氧體薄膜(Mn_0.5Zn_0.5Fe₂O₄薄膜)是n-型半導(dǎo)體，電阻率約為1000Ω·cm，載流子濃度6×10¹²cm^-3。

下面結(jié)合附圖詳細(xì)分析實(shí)施例得到的太赫茲波調(diào)制器的性能：

圖1中，4為源端(s)，5為漏端(d)，6為柵端(g)。當(dāng)在源極和漏極之間加電壓Vsd＝1.0V(注意：由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，源極和漏極可以互換)，柵極到源極電壓Vgs＝0V時(shí)，可測(cè)得實(shí)施例太赫茲波調(diào)制器中石墨烯兩端電阻Rds約為2KOhm，電流Ids＝85μA，柵源極之間的電流約為0μA。

圖2為實(shí)施例基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器在0.2～1.0Thz頻率下不同柵源電壓(Vsg)的太赫茲透射調(diào)制測(cè)試曲線；由圖2可知，當(dāng)Vsd＝1.0V，Vsg＝-25V時(shí)，可得到在0.8THz頻率下該太赫茲波調(diào)制器的透射率約為86％，且隨著Vsg絕對(duì)值的增加，透射率逐漸增大。圖2顯示本發(fā)明提供的太赫茲波調(diào)制器在0.4THz到0.8THz有較好的透射率，因而具有較好的調(diào)制頻率寬度。且柵源電流約為0μA。

圖3為實(shí)施例基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器中采用200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm厚度的錳鋅鐵氧體薄膜時(shí)的磁性飽和磁化強(qiáng)度Ms(Saturation magnetization)和矯頑力Hc(Coercive force)性能測(cè)試曲線；由圖3可知，隨著錳鋅鐵氧體薄膜厚度的增加，飽和磁化強(qiáng)度先增大，然后逐漸趨于平穩(wěn)，矯頑力則隨著錳鋅鐵氧體薄膜厚度的增加而逐漸減小。

圖4為實(shí)施例基于MnZn鐵氧體薄膜的太赫茲波調(diào)制器在100W、120W、140W、160W、180W濺射功率下得到的錳鋅鐵氧體薄膜的XRD圖；由圖4可知，隨著濺射功率的增加，MnZn鐵氧體薄膜尖晶石相峰的強(qiáng)度先增加，當(dāng)濺射功率大于一定數(shù)值時(shí)，其強(qiáng)度有所減小。