本發(fā)明屬于微納尺度器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)金屬共面波導(dǎo)特征阻抗值增加的方法。

背景技術(shù)：

共面波導(dǎo)是一種信號(hào)線和地線處于同一平面的微波傳輸線，地線在信號(hào)線的兩側(cè)以一定間隔分布，電磁場(chǎng)便主要分布在信號(hào)線與地線之間的介質(zhì)中，并以準(zhǔn)tem波的形式沿著信號(hào)線傳播。相對(duì)于其它類型的傳輸線，共面波導(dǎo)的損耗較小，并且對(duì)加工工藝和測(cè)試的要求不高，因此被廣泛研究和使用。

和其它類型的傳輸線一樣，共面波導(dǎo)需要精心設(shè)計(jì)，以滿足阻抗匹配要求(一般將其阻抗調(diào)配至標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載阻抗50ω或75ω)，從而降低回波損耗(因信號(hào)反射而引起的損耗)。金屬共面波導(dǎo)特征阻抗的調(diào)整主要通過(guò)改變一些結(jié)構(gòu)參數(shù)(如，信號(hào)線的寬度w0、信號(hào)線與地線之間的間距s0等)來(lái)實(shí)現(xiàn)。不過(guò)，這種通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)改變阻抗值的方法有一定的弊端：一方面，這種方法在實(shí)際使用時(shí)，并不容易實(shí)現(xiàn)，往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)進(jìn)行調(diào)整；另一方面，當(dāng)金屬共面波導(dǎo)的特征阻抗較小，則需要減小s0和w0，雖然實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配的目標(biāo)，但是信號(hào)在導(dǎo)體中的傳輸時(shí)的導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗也會(huì)增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種實(shí)現(xiàn)金屬共面波導(dǎo)特征阻抗值增加的方法，該方法的具體步驟如下：

1)測(cè)試金屬共面波導(dǎo)的特征阻抗值z(mì)0；

2)使用二維材料與金屬共面波導(dǎo)貼合；

所述二維材料的長(zhǎng)和寬均不能超出信號(hào)線的長(zhǎng)和寬，其長(zhǎng)度不能小于傳播的微波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)(如圖1)。

將二維材料與金屬共面波導(dǎo)貼合的方法主要有三種，如圖2所示：

i)首先將二維材料轉(zhuǎn)移至金屬共面波導(dǎo)表面，，然后將二維材料加工至一定的尺寸；

ii)先將二維材料轉(zhuǎn)移至襯底表面，然后將二維材料加工至一定的尺寸，最后再在該加工好的二維材料上方制備金屬共面波導(dǎo)；

iii)在金屬共面波導(dǎo)的表面能使用化學(xué)氣相沉積(cvd)法生長(zhǎng)出二維材料，該二維材料與金屬共面波導(dǎo)貼合，然后將二維材料加工至一定的尺寸。

二維材料的加工方法包括：

在二維材料表面旋涂光刻膠，并加工出光刻膠的窗口，使得信號(hào)線上方合適的區(qū)域覆蓋光刻膠，該光刻膠應(yīng)滿足二維材料尺寸要求，而其他區(qū)域的光刻膠被除去，如圖3。

將未被光刻膠保護(hù)的區(qū)域的二維材料刻蝕掉后，使用丙酮溶解掉用于保護(hù)的光刻膠，最后留下符合要求的二維材料。

留下的二維材料在金屬共面波導(dǎo)的信號(hào)線上的位置對(duì)本發(fā)明沒(méi)有影響，但是無(wú)論該二維材料處在信號(hào)線的位置如何，其各個(gè)邊都不能超出金屬共面波導(dǎo)的信號(hào)線。

加工出光刻膠窗口的方法有，紫外光刻、電子束曝光、激光直寫(xiě)光刻、納米壓印光刻等。

刻蝕二維材料的方法有，感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(icp)、反應(yīng)離子刻蝕(rie)、離子束刻蝕(ibe)、聚焦離子束刻蝕(fib)、透射電子顯微鏡(tem)、掃描隧道顯微鏡(stm)、掃描透射電子顯微鏡(stem)、掃描電子顯微鏡(sem)等。

3)再次測(cè)試該金屬共面波導(dǎo)的特征阻抗的值z(mì)l,得到金屬共面波導(dǎo)阻抗增加值δz＝zl-z0。

上述二維材料是指石墨烯(graphene)、硅烯(silicene)、鍺烯(germanene)、黑磷(bp)、氮化硼(bn)、過(guò)渡金屬硫族化合物(tmdc)、金屬碳化物或金屬氮化物(mxene)、拓?fù)浣^緣體(bi2se3、bi2te3、sb2te3)等。

進(jìn)一步，可以將粘合有二維材料的金屬共面波導(dǎo)放于管式爐中，并在真空環(huán)境下進(jìn)行熱退火。在真空環(huán)境下進(jìn)行熱退火可以將二維材料和金屬之間的氣體分子或水蒸氣除去，從而使二維材料充分發(fā)揮增大阻抗的作用。熱退火的溫度為120～500℃，具體取決于所使用的二維材料的種類，以避免二維材料在高溫下遭到破壞。

本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：采用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬共面波導(dǎo)特征阻抗值的增加，且在增加金屬共面波導(dǎo)特征阻抗值的同時(shí)，不會(huì)增加信號(hào)線上的導(dǎo)體損耗。而且，本發(fā)明的方法較為簡(jiǎn)單，避免了一般通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)增加特征阻抗所耗費(fèi)的大量時(shí)間。另外，本發(fā)明不影響原金屬共面波導(dǎo)制備過(guò)程中的任何加工過(guò)程，能夠很好地與其制備工藝兼容。

附圖說(shuō)明

圖1信號(hào)線表面貼合有二維材料的金屬共面波導(dǎo)的側(cè)視圖；

圖2將二維材料貼合到金屬共面波導(dǎo)表面的三種方法；其中，圖(a)所示將二維材料淀積在金屬共面波導(dǎo)所在的襯底表面或?qū)⑸L(zhǎng)好的二維材料轉(zhuǎn)移至金屬共面波導(dǎo)所在的襯底表面；圖(b)所示先將二維材料轉(zhuǎn)移至共面波導(dǎo)所在的襯底表面，然后將二維材料加工至一定的尺寸，最后在該加工好的二維材料上方再制備金屬共面波導(dǎo)；圖(c)所示若在金屬共面波導(dǎo)的表面能使用化學(xué)氣相沉積(cvd)法生長(zhǎng)出某種二維材料，該二維材料與金屬共面波導(dǎo)貼合；

圖3在二維材料表面加工出光刻膠窗口的示意圖；

圖4信號(hào)線上覆蓋有單層石墨烯和未覆蓋單層石墨烯的相同尺寸au共面波導(dǎo)的特征阻抗實(shí)部對(duì)比；

圖中1—二維材料；2—金屬共面波導(dǎo)的信號(hào)線；3—金屬共面波導(dǎo)的地線；4—襯底；5—光刻膠。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。

實(shí)例1：使用單層石墨烯對(duì)cu共面波導(dǎo)特征阻抗值的增加。

1)測(cè)試cu共面波導(dǎo)的特征阻抗值；

測(cè)試cu共面波導(dǎo)的s參數(shù)，并提取出其特征阻抗值。

2)選擇單層石墨烯增加特征阻抗值，使其與金屬共面波導(dǎo)貼合；

由于在cu表面可以使用cvd的方法生長(zhǎng)出單層石墨烯，所以選擇單層石墨烯來(lái)增加cu共面波導(dǎo)的特征阻抗值。

具體制備過(guò)程如下：將cu共面波導(dǎo)的襯底放入管式爐后，通入甲烷、氫氣和氬氣的混合氣體作為生長(zhǎng)氣體，依次經(jīng)過(guò)升溫，保溫和降溫(保溫階段保持1020℃的溫度)的過(guò)程后，在cu的表面生長(zhǎng)出單層石墨烯。在這一過(guò)程中，cu作為催化劑，是單層石墨烯生長(zhǎng)的基底。而由于cu共面波導(dǎo)的其它區(qū)域沒(méi)有cu，也不會(huì)覆蓋有單層石墨烯。

使用cvd法在cu共面波導(dǎo)表面生長(zhǎng)出單層石墨烯后，不需要放置在管式爐中進(jìn)行真空退火。

使用紫外曝光和icp刻蝕工藝，在cu共面波導(dǎo)的信號(hào)線的中心區(qū)域加工出一個(gè)石墨烯條帶：

在cu共面波導(dǎo)的襯底表面以4000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂ar-p5350型光刻膠，利用配套的光刻版，對(duì)相應(yīng)區(qū)域用55mj/cm²的曝光劑量進(jìn)行曝光。曝光完畢后，將襯底浸泡于ar300-26顯影液中60s，再經(jīng)過(guò)去離子水定影和氮?dú)鈽尨蹈珊?，在cu共面波導(dǎo)的信號(hào)線中心區(qū)域留下了一條光刻膠掩膜。

使用o2對(duì)單層石墨烯進(jìn)行icp刻蝕(刻蝕參數(shù)：氣體流量為25sccm，icp功率為20w，rie功率為25w，刻蝕時(shí)間為40s)，則未被光刻膠保護(hù)的單層石墨烯被刻蝕掉。最后，使用丙酮去除殘留的光刻膠，并依次經(jīng)過(guò)無(wú)水酒精和去離子水清洗后，使用氮?dú)鈽寣⒁r底表面吹干。

3)再次測(cè)試cu金屬共面波導(dǎo)的特征阻抗的值z(mì)l，得到金屬共面波導(dǎo)阻抗增加值δz＝zl-z0。

實(shí)例2：使用單層石墨烯對(duì)au共面波導(dǎo)特征阻抗值的增加。

1)測(cè)試au共面波導(dǎo)的特征阻抗值；

測(cè)試au共面波導(dǎo)的s參數(shù)，并提取出其特征阻抗值。

2)選擇單層石墨烯增加特征阻抗值，使其與金屬共面波導(dǎo)貼合；

具體制備過(guò)程如下：將一片銅箔放入管式爐后，通入甲烷和氫氣的混合氣體作為生長(zhǎng)氣體，依次經(jīng)過(guò)升溫，保溫和降溫(保溫階段保持1020℃的溫度)的過(guò)程后，在銅箔表面生長(zhǎng)出單層石墨烯。生長(zhǎng)出單層石墨烯后，將聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)旋涂在單層石墨烯表面(2500rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂60s)作為支撐，并使用fecl3溶液將銅箔溶解掉，最后將單層石墨烯轉(zhuǎn)移到制作有au共面波導(dǎo)的襯底表面，并使用丙酮溶液將pmma溶解掉。

使用紫外曝光和icp刻蝕工藝，在au共面波導(dǎo)的信號(hào)線的中心區(qū)域加工出一個(gè)單層石墨烯條帶；

在au共面波導(dǎo)的襯底表面以4000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂ar-p5350型光刻膠，利用配套的光刻版，對(duì)相應(yīng)區(qū)域用55mj/cm²的曝光劑量進(jìn)行曝光。曝光完畢后，將襯底浸泡于ar300-26顯影液中60s，再經(jīng)過(guò)去離子水顯影和氮?dú)鈽尨蹈珊螅赼u共面波導(dǎo)的信號(hào)線中心區(qū)域留下了一條光刻膠掩膜。

使用o2對(duì)單層石墨烯進(jìn)行icp刻蝕(刻蝕參數(shù)：氣體流量為25sccm，icp功率為20w，rie功率為25w，刻蝕時(shí)間為40s)，則未被光刻膠保護(hù)的單層石墨烯被刻蝕掉。最后，使用丙酮去除殘留的光刻膠，并依次經(jīng)過(guò)無(wú)水酒精和去離子水清洗后，使用氮?dú)鈽寣⒁r底表面吹干。

將襯底放置于管式爐中進(jìn)行真空退火(退火溫度500℃)，使單層石墨烯充分發(fā)揮增大阻抗的作用。

3)再次測(cè)試au金屬共面波導(dǎo)的特征阻抗的值z(mì)l，得到金屬共面波導(dǎo)阻抗增加值δz＝zl-z0。

在au共面波導(dǎo)表面覆蓋單層石墨烯后的特征阻抗增加值如圖4所示。

實(shí)例3：使用多層石墨烯對(duì)al共面波導(dǎo)特征阻抗值的增加。

1)測(cè)試al共面波導(dǎo)的特征阻抗值；

測(cè)試al共面波導(dǎo)的s參數(shù)，并提取出其特征阻抗值。

2)選擇多層石墨烯增加特征阻抗值，使其與金屬共面波導(dǎo)貼合；

al放置在空氣中后，表面會(huì)迅速生成一層氧化層。如果在al共面波導(dǎo)加工之后再貼合上多層石墨烯，al共面波大的性能將會(huì)因?yàn)楸砻嫜趸艿接绊?。因此，需要在al共面波導(dǎo)加工之前，在將要制作有al共面波導(dǎo)的襯底表面覆蓋上多層石墨烯。

具體制備過(guò)程如下：將一片鎳箔放入管式爐后，通入甲烷和氫氣的混合氣體作為生長(zhǎng)氣體，依次經(jīng)過(guò)升溫，保溫和降溫(保溫階段保持1000℃的溫度)的過(guò)程后，在鎳箔表面生長(zhǎng)出多層石墨烯。生長(zhǎng)出多層石墨烯后，將聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)旋涂在多層石墨烯表面(2500rpm的轉(zhuǎn)速下旋涂60s)作為支撐，并使用hno3溶液將鎳箔溶解掉，最后將多層石墨烯轉(zhuǎn)移到將要制作有al共面波導(dǎo)的襯底表面，并使用丙酮溶液將pmma溶解掉。

使用電子束曝光和icp刻蝕工藝，在將要制作有al共面波導(dǎo)信號(hào)線的中心區(qū)域加工出一個(gè)多層石墨烯條帶；

在襯底表面以4000rpm的轉(zhuǎn)速旋涂ar-p679.04型pmma光刻膠，使用電子束曝光工藝對(duì)相應(yīng)區(qū)域的光刻膠進(jìn)行曝光(曝光參數(shù)為：加速電壓25kv，電流1.5na，曝光劑量230μc/cm²)。曝光完畢后，將襯底浸泡于相應(yīng)的顯影液(4-甲基-2-戊酮和異丙醇的混合溶液(體積比1:3))中浸泡4min，再經(jīng)過(guò)去異丙醇溶液定影和氮?dú)鈽尨蹈珊?，在將要制作有al共面波導(dǎo)信號(hào)線的中心區(qū)域留下了一條光刻膠掩膜。

使用o2對(duì)多層石墨烯進(jìn)行icp刻蝕(刻蝕參數(shù)：氣體流量為30sccm，icp功率為30w，rie功率為25w，刻蝕時(shí)間為80s)，則未被光刻膠保護(hù)的多層石墨烯被刻蝕掉。然后，使用丙酮去除殘留的光刻膠，并依次經(jīng)過(guò)無(wú)水酒精和去離子水清洗后，使用氮?dú)鈽寣⒁r底表面吹干。最后，按照原有的步驟，在襯底表面制作al共面波導(dǎo)。

3)再次測(cè)試al金屬共面波導(dǎo)的特征阻抗的值z(mì)l，得到金屬共面波導(dǎo)阻抗增加值δz＝zl-z0。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。