近日，美國特拉華大學(xué)設(shè)計出一種“硅-石墨烯”器件，它能以亞太赫茲的帶寬，在一皮秒之內(nèi)發(fā)射無線電波。這樣不僅可以攜帶更多的信息，而且速度也更快。

背景

光子學(xué)（photonics）是研究作為信息和能量載體的光子的行為及其應(yīng)用的學(xué)科。光子學(xué)及其發(fā)展的相關(guān)技術(shù)即光子技術(shù)，具有豐富的內(nèi)涵和廣闊的應(yīng)用前景。如果你使用智能手機、筆記本電腦、平板電腦，那么就有望從光子學(xué)的研究中獲益。

光子芯片（圖片來源：布里斯托大學(xué)）

創(chuàng)新

近日，美國特拉華大學(xué)電氣與計算機工程系助理教授Tingyi Gu 領(lǐng)導(dǎo)的一支團隊正在開發(fā)光子器件方面的前沿技術(shù)，該技術(shù)可以使得器件之間以及使用者之間的通信速度更快。

（圖片來源：特拉華大學(xué)）

最近，該研究小組設(shè)計出一種“硅-石墨烯”器件，它能以亞太赫茲的帶寬，在一皮秒之內(nèi)發(fā)射無線電波。這樣不僅可攜帶更多信息，而且速度也更快。他們的研究近期發(fā)表在《美國化學(xué)會應(yīng)用電子材料（ACS Applied Electronic Materials）》期刊上。

（圖片來源：特拉華大學(xué)）

論文第一作者、研究生Dun Mao 表示：“在這項研究中，我們仔細研究了用于未來光電子應(yīng)用的集成石墨烯的硅光子器件的帶寬限制。”

技術(shù)

硅是大自然產(chǎn)生的一種非常富足的材料，通常作為電子器件中的半導(dǎo)體使用。然而，研究人員們已經(jīng)耗盡了僅由硅制成的半導(dǎo)體器件的潛能。這些設(shè)備受制于硅的載流子遷移率（電荷通過材料的速度）以及間接帶隙（限制了釋放和吸收光線的能力）。

現(xiàn)在，Gu 的團隊將硅與一種具有更多有益特性的材料（二維材料石墨烯）相結(jié)合。二維材料以只有一層原子而得名。與硅相比，石墨烯具有更好的載流子遷移率以及直接帶隙，使得電子傳輸?shù)酶?，并且電氣和光學(xué)特性更好。通過將硅與石墨烯相結(jié)合，科學(xué)家們將可以繼續(xù)利用已經(jīng)在硅器件中使用的技術(shù)，硅與石墨烯的結(jié)合使運行速度變得更快。博士生Thomas Kananen 表示：“通過研究材料的特性，我們能否比現(xiàn)在做更多的事情？這就是我們想要搞清楚的。”

為了將硅與石墨烯相結(jié)合，團隊采用了一種他們正在開發(fā)的方法。一篇發(fā)表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的論文描述了這種方法。團隊將石墨烯放置到一個特殊的地方，即所謂的“p-i-n結(jié)”。它是材料之間的一種接口。通過將石墨烯放置在“p-i-n 結(jié)”上，團隊以一種可以提升響應(yīng)率和器件速度的方法優(yōu)化了這個結(jié)構(gòu)。

（圖片來源：參考資料【2】）

這個方法很健壯，而且便于其他研究人員采用。這一工藝產(chǎn)生在12英寸的超薄材料晶圓上，并利用了小于一毫米的元件。某些元件是在商業(yè)制造廠生產(chǎn)。其他的工作在特拉華大學(xué)的納米制造設(shè)施進行，材料科學(xué)與工程系副教授Matt Doty 是該設(shè)施的主任。

Doty 表示：“特拉華大學(xué)納米制造設(shè)施（UNDF）是一個員工支持的工廠，它使用戶可在7納米的長度級別制造設(shè)備，約為人類發(fā)絲直徑的萬分之一。UNDF成立于2016年，為從光電子學(xué)到生物醫(yī)學(xué)再到植物科學(xué)的一系列領(lǐng)域帶來了新的研究方向。”

價值

硅與石墨烯結(jié)合之后，可作為光電探測器使用，可以感知光線，并制造電流，并且比現(xiàn)有方案的帶寬更大和響應(yīng)時間更少。所有這些研究意味著未來將帶來更便宜、更快速的無線設(shè)備。博士后研究員、發(fā)表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的論文第一作者Tiantian Li 表示：“它可以使得網(wǎng)絡(luò)更強、更好、更便宜。這是光子學(xué)的關(guān)鍵點。”

現(xiàn)在，團隊正在思考拓展這種材料的應(yīng)用途徑。Gu 表示：“我們正在尋找更多的基于類似結(jié)構(gòu)的元件。”

關(guān)鍵字

光子、電子、通信

參考資料

【1】https://www.udel.edu/udaily/2019/march/tingy-gu-silicon-graphene-devices/
【2】Dun Mao, Thomas Kananen, Tiantian Li, Anishkumar Soman, Jeffrey Sinsky, Nicholas Petrone, James Hone, Po Dong, Tingyi Gu. Bandwidth Limitation of Directly Contacted Graphene–Silicon Optoelectronics. ACS Applied Electronic Materials, 2019; 1 (2): 172 DOI: 10.1021/acsaelm.8b00015