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特拉華大學探索石墨烯-矽器件在光子學中的應用

據phys.org網站2019年3月27日報道,特拉華大學研究小組最近設計了一種矽-石墨烯裝置,它可以在不到一皮秒的時間内以亞太赫茲的帶寬傳輸射頻波,用于探索石墨烯-矽集成光電學在未來光電應用中的帶寬限制。

如果你使用智能手機、筆記本電腦或平闆電腦,那麼你就正從光子學的研究中獲益。特拉華大學(University of Delaware)電氣和計算機工程學助理教授TingyiGu領導的團隊正在開發光子學設備的前沿技術,使設備之間以及使用設備的人之間能夠更快地通信。

研究小組最近設計了一種矽-石墨烯裝置,它可以在不到一皮秒的時間内以亞太赫茲的帶寬傳輸射頻波。在這項工作中,研究人員探索了石墨烯-矽集成光電學器件在未來光電應用中的帶寬限制。矽是一種大量存在的天然材料,通常用作電子器件中的半導體。然而,研究人員已經挖掘了矽半導體器件的所有潛力。這些器件受到矽載流子遷移率(電荷通過材料的速度)和間接帶隙(限制其釋放和吸收光的能力)的限制。

Tingyi Gu教授領導的團隊正在将矽與二維材料石墨烯結合起來。二維材料之所以得名,是因為它們隻是一單層原子。與矽相比,石墨烯具有更好的載流子遷移率和直接帶隙,因此電子傳輸速度更快,電學和光學性能也更好。把矽和石墨烯結合起來,有可能提高器件的工作性能。

為了将矽和石墨烯結合起來,研究小組将石墨烯放在一個稱為p-i-n結的特殊地方,即材料之間的界面。通過将石墨烯置于此,研究小組優化了材料結構,提高了器件的響應率和運行速度。

該方法具有較強的穩定性,易于其他研究人員應用。實驗過程基于一個12英寸的薄材料晶片上,使用的每個元件都小于1毫米。部分元件在一家工業代工廠制造的,其它一些工作由特拉華大學的納米制造設備完成。該設備由工作人員支持,可以讓用戶制造僅長7nm的設備,于2016年開放,為光電子、生物醫學和植物科學等領域的新研究方向提供了可能。

矽和石墨烯的結合可以作為一種光電探測器感知光并産生電流,提供更大的帶寬,響應時間也更短。所有這些研究都将使未來的無線設備更便宜、速度更快。目前團隊正在考慮如何擴展這種材料的應用。

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