新的研究探索了石墨烯-矽器件在光子學中的應用

2021-02-20 實驗幫

日期：2019年3月27日

引源：德拉瓦大學

如果你使用智慧型手機、筆記本電腦或平板電腦，那麼你就受益於光子學研究，即光學研究。 在德拉瓦大學，由電子和計算機工程助理教授Tingyi Gu領導的團隊正在開發用於光子器件的尖端技術，這些技術可以實現設備之間以及使用它們的人之間更快地通信。

該研究小組最近設計了一種矽-石墨烯器件，它可以在亞太赫茲帶寬內以不到一皮秒的速度傳輸射頻波 - 這是大量的信息而且速度很快。

他們的工作在ACS Applied Electronic Materials（「Bandwidth Limitation of Directly Contacted Graphene–Silicon Optoelectronics」）上發表的論文中有所描述。「在這項工作中，我們探討了石墨烯集成矽光子學對未來光電子應用的帶寬限制，」該論文的第一作者、研究生Dun Mao說。

（圖片來源：德拉瓦大學）

  如果你使用智慧型手機、筆記本電腦或平板電腦，那麼你將受益於光子學研究，即光學研究。這項研究涉及在德拉瓦大學的納米加工設施中製造設備。

矽是一種天然存在的，豐富的材料，通常用作電子器件中的半導體。然而，研究人員已經耗盡了僅由矽製成的半導體器件的潛力。這些器件受矽的載流子遷移率（電荷在材料中移動的速度）以及間接帶隙（限制了其釋放和吸收光的能力）的限制。

現在，Gu的研究團隊正在將矽與具有更有利特性的材料 - 二維材料石墨烯相結合。2D材料因為它們只是一層原子而得名。與矽相比，石墨烯具有更好的載流子遷移率和直接帶隙，並且允許更快的電子傳輸和具有更好的電學和光學性能。

通過將矽與石墨烯結合，科學家們可以繼續使用矽器件已經使用過的技術 - 他們只需使用矽和石墨烯組合就能更快地工作。

「看看材料屬性，我們能做的比我們合作的更多嗎？這就是我們想要弄清楚的，」博士生Thomas Kananen說。

為了將矽與石墨烯結合起來，該研究團隊採用了他們在2018年發表在npj2D Materials and Application（「Spatially controlled electrostatic doping in graphene p-i-n junction for hybrid silicon photodiode」）的一篇論文中開發和描述的方法。該研究團隊將石墨烯放置在一個稱為p-i-n結的特殊位置，即材料之間的界面。通過將石墨烯放置在p-i-n結處，該研究團隊在一定程度上優化了結構，提高了器件響應度和速度。

這種方法具有較強的魯棒性，可以很容易地被其他研究人員應用。該過程在一個12英寸薄材料晶片上進行，並且使用的每個元件都小於1毫米。一些部件是在商業鑄造廠生產的。其他工作是在德拉瓦大學的納米加工設施中進行的，其中材料科學與工程副教授Matt Doty是該納米製造設施的主管。

「德拉瓦大學的納米加工設備（UDNF）是一個員工支持的設施，使用戶能夠製造長度小至7納米的設備，這比人類頭髮的直徑小約10,000倍，」Doty說。「UDNF於2016年開放，為光電子學，生物醫學和植物科學等領域的新研究方向提供了可能。」

矽和石墨烯的組合可用作光電探測器，其感測光並產生電流，具有比當前產品更大的帶寬和更短的響應時間。所有這些研究可以使未來的無線設備更便宜、更快速。「它可以使網絡更強大、更好、更便宜，」博士後助理和npj 2D Materials and Application論文的第一作者Tiantian Li說。「這是光子學的關鍵點。」

現在，研究團隊正在考慮如何擴展這種材料的應用。「我們正在考慮基於類似結構的更多組件，」Gu說。

原文連結：（https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=52468.php）

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