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特拉华大学探索石墨烯-硅器件在光子学中的应用

据phys.org网站2019年3月27日报道,特拉华大学研究小组最近设计了一种硅-石墨烯装置,它可以在不到一皮秒的时间内以亚太赫兹的带宽传输射频波,用于探索石墨烯-硅集成光电学在未来光电应用中的带宽限制。

如果你使用智能手机、笔记本电脑或平板电脑,那么你就正从光子学的研究中获益。特拉华大学(University of Delaware)电气和计算机工程学助理教授TingyiGu领导的团队正在开发光子学设备的前沿技术,使设备之间以及使用设备的人之间能够更快地通信。

研究小组最近设计了一种硅-石墨烯装置,它可以在不到一皮秒的时间内以亚太赫兹的带宽传输射频波。在这项工作中,研究人员探索了石墨烯-硅集成光电学器件在未来光电应用中的带宽限制。硅是一种大量存在的天然材料,通常用作电子器件中的半导体。然而,研究人员已经挖掘了硅半导体器件的所有潜力。这些器件受到硅载流子迁移率(电荷通过材料的速度)和间接带隙(限制其释放和吸收光的能力)的限制。

Tingyi Gu教授领导的团队正在将硅与二维材料石墨烯结合起来。二维材料之所以得名,是因为它们只是一单层原子。与硅相比,石墨烯具有更好的载流子迁移率和直接带隙,因此电子传输速度更快,电学和光学性能也更好。把硅和石墨烯结合起来,有可能提高器件的工作性能。

为了将硅和石墨烯结合起来,研究小组将石墨烯放在一个称为p-i-n结的特殊地方,即材料之间的界面。通过将石墨烯置于此,研究小组优化了材料结构,提高了器件的响应率和运行速度。

该方法具有较强的稳定性,易于其他研究人员应用。实验过程基于一个12英寸的薄材料晶片上,使用的每个元件都小于1毫米。部分元件在一家工业代工厂制造的,其它一些工作由特拉华大学的纳米制造设备完成。该设备由工作人员支持,可以让用户制造仅长7nm的设备,于2016年开放,为光电子、生物医学和植物科学等领域的新研究方向提供了可能。

硅和石墨烯的结合可以作为一种光电探测器感知光并产生电流,提供更大的带宽,响应时间也更短。所有这些研究都将使未来的无线设备更便宜、速度更快。目前团队正在考虑如何扩展这种材料的应用。

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