蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的兩個研究小組已經(jīng)聯(lián)合開發(fā)了一種新型的光探測器。它由耦合到硅光波導(dǎo)的不同材料的二維層組成。將來，這種方法也可以用于制造LED和光學(xué)調(diào)制器。

快速高效的調(diào)制器以及光檢測器是通過光纖電纜傳輸數(shù)據(jù)的核心組件。近年來，基于現(xiàn)有光學(xué)材料的那些電信構(gòu)建基塊一直在不斷改進(jìn)，但是現(xiàn)在變得越來越難以實現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。正如蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的兩個研究小組現(xiàn)在所顯示的，這需要不同專業(yè)的聯(lián)合力量。

由電磁場研究所的JürgLeuthold教授和光子學(xué)研究所的Lukas Novotny教授領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家，與日本筑波大學(xué)國家材料科學(xué)研究所的同事一起，開發(fā)了一種基于超快和靈敏的光探測器新型二維材料與納米光子光波導(dǎo)之間的相互作用的研究。他們的研究結(jié)果最近發(fā)表在科學(xué)期刊《自然納米技術(shù)》上。

二維材料

“在我們的探測器中，我們想利用不同材料的優(yōu)勢，同時克服它們各自的局限性，”博士NikolausFlöry解釋說。諾沃特尼小組的學(xué)生。“這樣做的最好方法是從每層只有幾個原子厚的不同層制造一種人造晶體，也稱為異質(zhì)結(jié)構(gòu)。此外，我們想知道是否所有關(guān)于這種二維材料的嗡嗡聲實際應(yīng)用是合理的。”

在諸如石墨烯的二維材料中，電子僅在一個平面中移動，而不是在三個空間維度上移動。例如，當(dāng)施加電壓時，這會極大地改變其傳輸性能。盡管石墨烯不是光學(xué)應(yīng)用的理想選擇，但是過渡金屬(例如鉬或鎢)和硫族元素(例如硫或碲)(縮寫為TMDC)的化合物具有很高的感光度，最重要的是，可以輕松地與硅光波導(dǎo)結(jié)合使用。

波導(dǎo)和高速光電技術(shù)的專業(yè)知識來自于爾格·洛伊特霍爾德(JürgLeuthold)研究小組。該小組的高級科學(xué)家馬平強調(diào)，正是這兩種方法之間的相互作用才使新的探測器成為可能：“了解二維材料和將光饋入探測器的波導(dǎo)對我們來說至關(guān)重要。在一起，我們意識到二維材料特別適合與硅波導(dǎo)結(jié)合使用。我們團(tuán)隊的專長相得益彰。”

研究人員必須找到一種方法來使通常比較慢的基于TMDC的探測器更快。另一方面，檢測器必須最佳地耦合到用作接口的硅結(jié)構(gòu)上，而不犧牲其高速性能。

通過垂直結(jié)構(gòu)的速度

“我們通過實現(xiàn)由TMDC(在我們的情況下為二碲化鉬)和石墨烯制成的垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)解決了速度問題，”Flöry說。與傳統(tǒng)的探測器不同，在這種情況下，被入射光粒子激發(fā)的電子在被測量之前不需要先穿過大部分材料。相反，TMDC的二維層確保電子可以在很短的時間內(nèi)向上或向下離開材料。

它們離開的速度越快，檢測器的帶寬就越大。帶寬指示可以以什么頻率接收以光脈沖編碼的數(shù)據(jù)。Flöry說：“我們曾希望通過我們的新技術(shù)獲得幾千兆赫茲的帶寬-最終，我們實際上達(dá)到了50吉赫茲。” 到目前為止，使用基于TMDC的探測器可以實現(xiàn)小于千兆赫的帶寬。

顯示了二碲化鉬晶體。晶體的晶圓薄層可以與兩個石墨烯層結(jié)合以構(gòu)成垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)。信用：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

另一方面，通過將檢測器集成到納米光子光波導(dǎo)中可以實現(xiàn)最佳的光耦合。從波導(dǎo)橫向突出的所謂的van逝波將光子通過石墨烯層(電阻低)饋入異質(zhì)結(jié)構(gòu)的二碲化鉬層。

在那里，它們激發(fā)最終被檢測為電流的電子。集成波導(dǎo)設(shè)計可確保在此過程中吸收足夠的光。

具有多種可能性的技術(shù)

ETH研究人員堅信，通過波導(dǎo)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的這種結(jié)合，他們不僅可以制造光探測器，還可以制造其他光學(xué)元件，例如光調(diào)制器，LED和激光器。“可能性幾乎是無限的，”Flöry和Ma對其發(fā)現(xiàn)充滿熱情。“我們只是挑選了光電探測器作為該技術(shù)可以完成的示例。”

在不久的將來，科學(xué)家們希望利用他們的發(fā)現(xiàn)并研究其他二維材料。迄今為止，已知它們中的一百種，為新穎的異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了無數(shù)種可能的組合。而且，他們希望利用其他物理效應(yīng)，例如等離激元，以進(jìn)一步提高其設(shè)備的性能。