光子范德華集成助力新型異質(zhì)集成光子器件及柔性光學(xué)應(yīng)用

如今，電子和光子器件已經(jīng)在智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)、光源、傳感器和通信設(shè)備等應(yīng)用中無(wú)處不在。為了支撐光電子應(yīng)用需求，各種功能材料必不可少。例如，邏輯計(jì)算和光子集成電路（PIC）需要硅；光電、發(fā)光和光電檢測(cè)應(yīng)用需要III-V族半導(dǎo)體材料（例如GaAs、InP等）；而壓電材料（例如AlN、PZT等）則廣泛應(yīng)用于執(zhí)行器和傳感器。

用于光子范德華集成的獨(dú)立2D和3D納米膜

然而，采用單一材料平臺(tái)實(shí)現(xiàn)所有需要的功能，將有助于多功能多用途光子和光電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。因此，異質(zhì)集成平臺(tái)吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的極大興趣。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了解決這一需求，美國(guó)圣路易斯華盛頓大學(xué)（Washington University in St. Louis）Sang-Hoon Bae教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組嘗試將先進(jìn)的材料外延和層轉(zhuǎn)移技術(shù)用于新型光電應(yīng)用。

功能材料和光學(xué)結(jié)構(gòu)的異質(zhì)集成，對(duì)于構(gòu)建高性能集成光電子系統(tǒng)和研究納米光子現(xiàn)象的理想平臺(tái)至關(guān)重要。這方面的傳統(tǒng)方案需要依賴異質(zhì)外延，并且需要晶格匹配和工藝兼容性。當(dāng)外延層和襯底之間的晶格常數(shù)相差超過(guò)幾個(gè)百分點(diǎn)時(shí)，生長(zhǎng)的薄膜可能會(huì)因多晶相而劣化或者只形成外延島，從而大大降低光學(xué)材料的本征性能。

利用獨(dú)立構(gòu)建塊的范德華（vdW）集成不受外延中應(yīng)用的晶格匹配約束。這種低能量物理組裝方法最初應(yīng)用于2D材料，因?yàn)樗跇?gòu)建vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)方面具有很高的靈活性。先進(jìn)2D材料輔助外延和層剝離技術(shù)的最新進(jìn)展，為光子學(xué)工程師提供了許多單晶3D納米膜，它們也可以像2D材料一樣超薄、柔性且獨(dú)立。因此，近來(lái)通過(guò)光子vdW集成在光學(xué)和光電子應(yīng)用領(lǐng)域取得了令人興奮的進(jìn)展。

光子vdW集成應(yīng)用的獨(dú)立納米膜前景

Sang-Hoon Bae教授及其合作研究團(tuán)隊(duì)近期在Nature Reviews Materials期刊上發(fā)表了一篇題為“Photonic van der Waals integration from 2D materials to 3D nanomembranes”的論文，介紹了從2D材料到3D納米膜的光子vdW集成的最新進(jìn)展。除了2D材料，研究人員還總結(jié)了目前可用的3D獨(dú)立納米膜，概述了從薄膜制備到器件實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)指引。

由于功能性3D納米膜的可用材料庫(kù)比2D材料的材料庫(kù)廣泛得多，因此，研究人員預(yù)見(jiàn)了vdW集成超越2D材料的新興機(jī)遇：具有光學(xué)增益、壓電、電光和磁光材料等典型功能的高質(zhì)量3D薄膜，可以轉(zhuǎn)移到光子結(jié)構(gòu)中以制作新型器件及應(yīng)用的原型。

在論文中，研究人員還概述了混合維vdW異質(zhì)結(jié)構(gòu)，基于新型異質(zhì)集成布局的先進(jìn)高性能光子器件，以及基于當(dāng)前判斷的柔性、生物兼容光電應(yīng)用前景。研究人員還綜述了薄膜光子學(xué)和光子vdW集成領(lǐng)域的可擴(kuò)展納米膜制造及轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

審核編輯：劉清