新途径!集成于硅芯片上的石墨烯黑体发光器

 

矩形石墨烯片连接至源极与漏极,调节输入信号从石墨烯获得调制黑体发射  图片:庆应义塾大学 

  通常,集成于硅芯片上的高速发光器可作为硅基光电子学的新型架构,但基于化合物半导体的发光器很难在硅衬底上直接制造,该类发光器与硅基平台的集成面临着严峻挑战。因此,能在近红外(NIR)区域(含电信波长)工作,且高速、高度集成于硅片上的石墨烯黑体发光器开发得到契机。

  石墨烯是新兴二维纳米碳材料,具有独特的电子、光学和热学特性,可广泛应用于光电子器件。基于石墨烯的黑体发射体在近红外(NIR)与中红外区域的硅芯片上发光也被寄予厚望。然而,尽管基于石墨烯的黑体发射体在稳态条件或相对较慢的调制(100kHz)下已经被证实,但这些发射体在高速调制下的瞬态特性迄今尚未报道,而且基于石墨烯发射体的光通信特性备受疑问。

  此外,研究人员展示了一种基于石墨烯的高度集成且高速度片内黑体发射体,其在近红外(NIR)区域(含电信波长)可稳定工作。对于单层和少层石墨烯,已大量实验证实不足100ps的快速响应时间,且发射响应时间取决于石墨烯层的数量,可凭借石墨烯与衬底的接触来具体控制,通过考虑石墨烯和衬底的发射体热模型对热传导方程进行理论计算,阐明并掌握高速发射的机理。

  模拟结果表明:快速响应特性不仅可解释为石墨烯中面内热传导的经典热传递以及向基板的热耗散,而且可认为是表面极性声子(SPoPh)的远程量子热传递基材。此外,首次实时光通信与石墨烯基发光体实验结果表明石墨烯发射体是光通信的新型光源。研究人员开发出集成二维阵列发射器与大规模石墨烯生长的化学气相沉积(CVD)方法,实现了盖帽发射器的空气中操作,并依赖发射器占地面积小与平面设备结构特点,将光纤与发射器完成直接耦合。

  相比于常规化合物半导体发射体,石墨烯发光体存在诸多优势,由于石墨烯发射体的制造过程简单且其通过渐逝场直接与硅波导耦合,可高度集成于硅芯片上。无独有偶,不同于化合物半导体的严峻挑战,石墨烯可以实现高速、小尺寸的硅芯片发光体,可以为高度集成的光电子和硅光子学开辟新途径。 

  文章来自phys.org,原文题目为High-speed and on-silicon-chip graphene blackbody emitters。 

 

  来源: 中国材料网http://www.matinfo.com.cn/mat2005/shangcheng/dongtai_nr.asp?id=83351

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中国科学院上海硅酸盐研究所

中国科学院上海硅酸盐研究所主要研究领域涵盖了人工晶体、高性能结构与功能陶瓷、特种玻璃、无机涂层、生物环境材料、能源材料、复合材料及先进无机材料性能检测与表征等。

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