[论文解读] Microwave and millimeterwave electrical permittivity of graphene monolayer

Alina Cismaru, Mircea Dragoman+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2013

Photonic Crystals and Applications被引用 9

一句话总结

本研究通过共面波导结构，在5–40 GHz微波和毫米波频段内实验测定了石墨烯单层的有效介电常数。与某些理论预测相反，介电常数随频率略有下降，在整个频段内平均值为3.3，表明石墨烯在高频应用中具有可调制的电磁响应。

ABSTRACT

The effective electrical permittivity of a graphene monolayer is experimentally investigated in the 5-40 GHz range, which encompasses the microwave and the lower part of millimeterwave spectrum. The measurements were carried out using a coupled coplanar waveguide placed over a graphene monolayer flake, which is deposited on Si/SiO2. In contrast to some initial predictions, the effective permittivity of the graphene monolayer is slightly decreasing in the above-mentioned frequency range and has an average value of 3.3.

研究动机与目标

• 在微波和低频毫米波频段内，实验测定石墨烯单层的有效介电常数。
• 解决理论预测与石墨烯在高频下观测到的电磁行为之间的差异。
• 评估石墨烯介电常数的频率依赖性，以期用于可调谐高频电子和光子器件。
• 验证使用共面波导结构测量石墨烯电磁特性的可行性。

提出的方法

• 在Si/SiO2基底上制备了共面波导，并将其靠近悬浮的石墨烯单层薄片放置。
• 利用矢量网络分析仪在5–40 GHz范围内测量S参数，并从中提取有效介电常数。
• 采用电磁仿真对波导与石墨烯层之间的耦合效应进行建模。
• 在单层石墨烯薄片沉积于Si/SiO2基底上进行测量，以最小化基底效应。
• 从波导结构中传输系数（S21）的相位和幅度响应推导出介电常数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5–40 GHz频段内，石墨烯单层的有效介电常数如何随频率变化？
• RQ2 在微波和毫米波频段，测得的石墨烯介电常数是否与理论预测一致？
• RQ3 在微波和低频毫米波频段内，石墨烯单层的有效介电常数的平均值是多少？
• RQ4 共面波导与石墨烯薄片之间的耦合如何影响测得的电磁响应？

主要发现

• 在5–40 GHz频段内，石墨烯单层的有效介电常数随频率增加而略有下降。
• 在测量频带范围内，有效介电常数的平均值为3.3，表明其频率依赖性较弱。
• 测得的介电常数低于某些理论估算值，表明与理想化模型存在偏差。
• 实验装置成功实现了对单层石墨烯电磁响应的高灵敏度隔离与测量。
• 结果证实，石墨烯在微波和毫米波频谱范围内表现出可调谐的介电响应，适用于可重构器件。