近日，美國特拉華大學設計出一種“硅-石墨烯”器件，它能以亞太赫茲的帶寬，在一皮秒之內發射無線電波。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（photonics）是研究作為信息和能量載體的光子的行為及其應用的學科。光子學及其發展的相關技術即光子技術，具有豐富的內涵和廣闊的應用前景。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的研究中獲益。

光子芯片（圖片來源：布里斯托大學）

創新

近日，美國特拉華大學電氣與計算機工程系助理教授Tingyi Gu 領導的一支團隊正在開發光子器件方面的前沿技術，該技術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）

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

（圖片來源：特拉華大學）

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用的集成石墨烯的硅光子器件的帶寬限制。”

技術

硅是大自然產生的一種非常富足的材料，通常作為電子器件中的半導體使用。然而，研究人員們已經耗盡了僅由硅制成的半導體器件的潛能。這些設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，使得電子傳輸得更快，并且電氣和光學特性更好。通過將硅與石墨烯相結合，科學家們將可以繼續利用已經在硅器件中使用的技術，硅與石墨烯的結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合，團隊采用了一種他們正在開發的方法。一篇發表在《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”。它是材料之間的一種接口。通過將石墨烯放置在“p-i-n 結”上，團隊以一種可以提升響應率和器件速度的方法優化了這個結構。

（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。某些元件是在商業制造廠生產。其他的工作在特拉華大學的納米制造設施進行，材料科學與工程系副教授Matt Doty 是該設施的主任。

Doty 表示：“特拉華大學納米制造設施（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備，約為人類發絲直徑的萬分之一。UNDF成立于2016年，為從光電子學到生物醫學再到植物科學的一系列領域帶來了新的研究方向。”

價值

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

現在，團隊正在思考拓展這種材料的應用途徑。Gu 表示：“我們正在尋找更多的基于類似結構的元件。”

關鍵字

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