二维材料在芯片光子学中的应用
2018年5月24日

光电应用比如光电探测器和发射器都依赖于其活性物质与光强烈相互作用,所以大家会质疑二维材料的性能这无可厚非。毕竟二维材料的横截面最多只能由几个原子构成,因而没有足够的物质与光相互作用。然而,即便随手在网上一搜便会得到许多有关石墨烯和二维光学材料论文和专利。那么是什么让这些材料如此有吸引力呢?

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一、超高速自由电子漂浮在石墨烯晶格上
石墨烯的原子结构是每个碳原子都会连结其他三个原子,这对于其性能有着非常深远的影响。这是因为这样的结构使得一大群自由电子以极快的速度移动产生了前所未有的电子迁移率。因此,在高频即便吸收少量的光便可有效地探测到变化。(详情请访问Mark Dineen博士的博客文章 http://blog.oxford-instruments.net/2017/12/inp/)。利用石墨烯的特性和一些巧妙的设计,已多次实现了石墨烯光电探测器在可见光和近红外光谱的极高响应率。然而,真正令人兴奋的进展是在1550nm左右波长的电信频率中石墨烯光电探测器已实现数万兆赫的操作速度!

二、钝化表面和晶格错配现象的消失
二维材料只在范德华力的基础上相互作用于表面(这些微弱的力量保持了石墨各层的结合!),因此它们不像传统材料在硅上沉积时会产生表面应力。当然他们的表面同样自然钝化,由于没有悬空键, 不仅最大程度降低损耗,也能降低光波导集成的难度。这些属性使得全球研究人员不仅可以在硬基板,而且在柔性基板和透明基板上,利用半导体二维材料提取光时都能产生较高量子产率(已经证明近似使用完美晶体的产能)。

在未来几年,光发射器、调节器和光电探测器的研发浪潮必将到来。我们已经看到了石墨烯探测器与硅技术的集成方面的大量技术准备,但研究人员仍有大量机会将这种神奇的材料应用于集成电路芯片!

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