基于石墨烯冷阴极的太赫兹微型谐振腔倍频器研究

The performance of terahertz semiconductor solid state multiplier is in a strong development. However, its harmonic power and gain are still no good enough. In this program, we propose a novel terahertz cold cathode cavity multiplier, by utilizing the nonlinear relation in field emission of graphene cold cathode. The terahertz signal is induced into the cavity and drive on field emission of graphene cold cathode. Then the field emission electron beam with a terahertz frequency is accelerated by an external bias. At last the harmonic component of the electron beam which due to the field emission nonlinear relation is convert to a double frequency terahertz wave in the output cavity. We also investigate the microfabrication of cold cathode cavity multiplier in micrometer scale aiming at miniaturization and assemble the vacuum electronic device on chip and satisfying the requirement of terahertz device.

现有的太赫兹频段半导体固态倍频器发展迅速，但仍存在功率低，增益低的不足之处。本项目利用石墨烯冷阴极优异的场发射特性及其场发射电流电压关系具有的非线性效应，提出一种新型的可工作在太赫兹频段的冷阴极谐振腔倍频器。我们利用重入式谐振腔诱导太赫兹频段电磁波驱动石墨烯冷阴极进行场发射，产生具备太赫兹频率的电子束。利用场发射的非线性效应，可分解得具备二次/三次谐波分量的电子束。最后通过高压偏置加速电子束以提高谐波能量，并通过输出腔滤波输出倍频太赫兹信号，实现高功率的太赫兹波的倍频器。我们进一步研究利用微加工技术制备微米尺度的冷阴极谐振腔倍频器，以实现在硅基底上制成微纳真空电子器件，满足太赫兹器件对尺寸小型化的需求，同时也拓展冷阴极真空微纳电子器件在太赫兹波段集成片上系统的应用领域。

太赫兹倍频器在通信、雷达和信号处理方面具有重要应用，现有太赫兹倍频器存在功率小、频段窄等问题。本项目利用石墨烯冷阴极优异的场发射特性及其电流电压非线性效应，实现了0.1 THz频段太赫兹频段的冷阴极谐振腔倍频器。倍频器结构主要包括石墨烯带状冷阴极、哑铃型谐振腔、周期磁聚焦结构和收集极四部分。解决了太赫兹频段结构尺寸小带来的器件设计难题，提出了冷阴极带状电子注匹配哑铃型谐振腔的器件结构，有效提升了电磁波驱动冷阴极场发射能力。采用周期磁聚焦结构聚焦出射电子注，提升了电子注的利用效率和器件功率。制成的原型器件测得0.1THz，22nW的输出信号。太赫兹倍频器的输出功率与冷阴极电流呈正相关性，提升石墨烯冷阴极的大电流场发射特性是倍频器件性能的关键因素。研究了石墨烯冷阴极在大电流场发射过程中的发射尖端微纳结构演化过程，发现结构自优化现象有助于场发射电流的提升，并提出了一种大电流后处理工艺。构造了一种直立石墨烯发射尖端结合横向少层石墨界面的石墨烯冷阴极结构，从石墨烯与衬底界面调控的角度，实现热阻的有效减低，提升了石墨烯的大电流场发射承受能力和场发射稳定性，并实现了相应的制备工艺。研究了电磁波驱动石墨烯冷阴极的出射电子注质量，定量分析了电磁波驱动下场发射电子注的纵向密度和能量分布；统计了电子注的运动轨迹和光斑的强度分布，进而分析了电子注的横向密度分布，进一步提升了石墨烯冷阴极倍频器的电子注的可控性和器件效率。本研究工作实现了石墨烯纳米冷阴极在太赫兹倍频器的应用探索，解决了若干器件物理和材料性能难题，为推进冷阴极真空电子器件在太赫兹/微波器件应用提供了重要技术参考。