1引 言

太赫茲波（THz） 是頻率在0. 1 THz到10 THz的電磁波，在電磁波譜上介于微波和紅外波段之間，處于電子學向光子學的過渡領域。近年來，由于太赫茲波所具有的獨特的性質，如寬帶性、低能量性、相干性等，太赫茲波受到了人們越來越多的關注，因而在前沿科學研究與新技術應用等諸多領域中扮演著引人注目的角色[1-4],例如生物、醫學、藥物檢測、半導體材料特性表征、國土安全檢查、太赫茲通訊和太赫茲雷達等[5].

但是在太赫茲波發展的初期，由于太赫茲源、功能器件、探測器件的短缺，這一波段曾被人們稱為“太赫茲空隙”.近年來，隨著太赫茲技術水平的不斷進步，人們已經從光學和電子學角度分別獲得了較成熟的太赫茲源和太赫茲探測器，如基于光學方法的相干太赫茲源包括氣體激光器、自由電子激光器、量子級聯激光器、光電導天線、光學整流、半導體表面電場發射以及光致丹倍效應發射[6]等，其中太赫茲時域光譜技術已經逐步從實驗室走向實際應用，如飛機和汽車的噴漆測量、半導體無損探傷等； 另外，從電子學方面向太赫茲波段的發展來自于微波技術向短波方向的發展。包括返波管、耿氏振蕩器、雪崩傳輸時間二極管、半導體異質結高遷移率電子晶體管、非線性傳輸線[6]等，上述基于電子學的太赫茲技術大多和微電子技術兼容，近年來也已經發展的比較成熟，如人體安檢、毫米波雷達等。由此，太赫茲功能器件是繼太赫茲源和探測技術之后最亟待解決的關鍵技術之一，是構建太赫茲應用系統的核心。低損耗、高效傳輸調制和快速響應太赫茲功能器件的匱乏已成為太赫茲技術走向實際應用的瓶頸問題。其中，太赫茲調制器是多種應用系統的核心器件，如太赫茲通信系統，太赫茲傳感系統等。目前，在太赫茲的調制器件上，仍有著比較大的缺口，并且隨著應用范圍的不斷拓展，對調制器件也提出了進一步的要求。

所謂調制器件，就是指能夠控制振幅、相位和偏振態等特性的功能結構或器件。合理運用調制器件，可以有效地降低太赫茲系統的復雜度、成本、幾何尺寸等。這些器件的種類繁多，近些年來，有文獻報道了多種基于不同材料和結構的太赫茲調制器，如量子阱、半導體超晶格、光子晶體和超材料的太赫茲調制器等。無論采用什么方式，我們都希望器件能夠擁有較大的調制深度，非?？斓恼{制速度以及較寬的調制帶寬，但是在實際情況中，這些往往是不能夠同時實現的。因此，人們也在不斷探索能夠應用于太赫茲波調制的新型材料。超材料、石墨烯等材料逐漸體現出了在太赫茲調制領域所具有的巨大潛力，成為人們研究的熱點。

利用超材料所制作的調制器件，擁有許多自然界材料所不具有的調制特性，因此是未來發展的重要方向。然而，許多這類結構[7-9]卻有著明顯的局限性，很多結構都無法實現太赫茲波的動態調制，只能通過結構幾何參數的變化來改變對于太赫茲波的調制，這在很大程度上限制了其實際應用。為了實現太赫茲波的動態調制，科學家們也開始著眼于可調超材料的研究，并取得了一定的成果。在原理上可以將太赫茲波段的可調超材料分為兩大類[10-11]: 一類是主動控制超材料結構的可重構超材料，最典型的就是基于微機電系統（MEMS） 的可重構超材料[12],但是這一方法受到加工工藝水平的限制，在材料穩定性等方面還有很大提高空間； 第二類是基于活性媒質的混合超材料，利用活性媒質的光電性質會隨著外加光、電、熱等刺激而變化的特性，實現可調的太赫茲超材料[13-14],典型的活性媒質有半導體、相變材料、液晶等。然而，由于這些材料本身有著容易受溫度變化影響或性質變化范圍較小的局限性，并不能完全達到人們對主動調制范圍、穩定性和速度等要素的要求，因此探索實現可調超材料的新方法、新材料仍然是一個具有挑戰性的課題。與之前的可調超材料相比，石墨烯超材料具有調制方便、調制范圍較大等優勢。因此，利用石墨烯和超材料的混合結構來實現太赫茲波的動態調制成為優先發展方向，并且已經取得了許多令人矚目的成果[15-17].

2石墨烯的特性及調制

石墨烯是一種由碳原子構成的二維結構，每一個碳原子都為SP2雜化，并且均提供一個p軌道上的電子形成一個大π鍵，由于π鍵中的電子是可以自由移動的，因此石墨烯具有良好的導電性。自2004年被發現以來，石墨烯作為一種新型的二維材料，吸引了物理學家，工程師和材料學家的廣泛關注，這是因為石墨烯具有獨特的機械、熱學、電磁學性質，其在電磁學上的特性也為我們利用石墨來烯調制太赫茲波提供了可能。石墨烯的碳原子排列方式，決定了其具有獨特的圓錐狀的能帶結構，如圖1所示。

這一能帶結構使得石墨烯具有許多其他材料所不具 有 的 性 質，包 括 常 溫 下 的 量 子 霍 爾 效應[18]、可調節的薄層電導率[19]、很小的載流子等效質量、非常大的平均自由程等[20],因此無論是空穴還是自由電子，在石墨烯中均具有非常大的載流子遷移率，其數值遠遠超過半導體，甚至大部分的金屬。因此石墨烯在高速電子器件中有著非常大的發展潛力。

在光電器件中，石墨烯的薄層電導率是一個非常重要的參數，一般來說石墨烯的電導率由電子的帶內躍遷和帶間躍遷兩部分貢獻。在可見光和近紅外波段，光子能量較高，超出電子帶間躍遷的閾值，此時的電導率由帶內躍遷和帶間躍遷共同決定； 在太赫茲和遠紅外等低頻段，光子能量較小，即費米能級。時，電子的帶內躍遷起到決定性因素，因此我們可以忽略帶間躍遷的影響，將石墨烯的薄層電導率表示為[21]:



式中，KB為玻爾茲曼常數，e為電子電量，T為開爾文溫度，Γ為載流子散射率?？梢钥闯?，對于費米能級不是很小，即滿足| EF| \ue04cKBT的石墨烯，上式可以進一步簡化為Drude模型的形式[21]:



式中，D稱為Drude質量，可以由下式表示：



式中，VF為費米速度，一般取值為VF= 1 × 106m / s,n表示載流子濃度。同時，石墨烯的費米能級可以表示為：