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石墨烯新技術：遇慢光打造世界佳納米熱電極
2月9日，《自然·通信》(Nature Communications)刊發(fā)武漢光電國家實驗室(籌)董建績教授、丹麥技術大學丁運鴻博士和Asger Mortensen教授合作研究成果。該論文題為“Slow-light-enhanced energy efficiency for graphene microheaters on silicon photonic crystal waveguides”。
在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代，每個人都在享受著信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展給生活所帶來的的便捷體驗，高速的4G/5G網(wǎng)絡、五花八門的手機APP、智能家居、無人駕駛汽車……所有的這些我們耳熟能詳?shù)?ldquo;高大上”科技產(chǎn)品，無一例外地都依賴于其背后的高性能數(shù)據(jù)處理、傳輸核心器件。在傳統(tǒng)的核心器件中，大多都是以電子作為信息的載體。
然而，由于“電子瓶頸”的存在，使得傳統(tǒng)的電子器件越來越難以滿足現(xiàn)代社會急劇增長的大帶寬、低能耗的數(shù)據(jù)傳輸與處理的要求。而將光作為信息的載體，能充分利用光信號所具有超高速、大帶寬、低處理能耗的特點，這使得集成光子器件成為了替代傳統(tǒng)的電子器件的佳選擇。為了保證集成光子器件的靈活性和可塑性，由金屬材料制作的納米熱電極，常被鋪設在集成光波導上，利用光波導折射率對溫度的敏感性(熱光效應)，達到調(diào)控集成光子器件的目的。
不過，由于金屬對通信波段的光信號有著強烈的吸收損耗，在實際應用中，金屬熱電極與光波導之間必須設有一層較厚的氧化物作為隔離，正是由于這層氧化物的存在，導致大部分熱量都被氧化層所阻斷，無法到達目標波導，這直接導致調(diào)控所需的能耗較高，調(diào)控的速度也較慢，只能達到毫秒(10^-3秒)量級。這些因素都嚴重限制了集成光子器件進一步發(fā)展和應用。
來自華中科技大學武漢光電國家實驗室和丹麥技術大學的科研人員通過對集成光子器件的調(diào)控問題進行長期實踐與探索后認為，將石墨烯與慢光效應相結(jié)合是解決這個問題的一個有效方案。
石墨烯由碳原子按照呈蜂巢型六角晶格排列構成，它是一種只有一個原子厚度的二維特殊材料。因此，它有著許多其他常規(guī)材料所不具備的特殊物理性質(zhì)，例如，它幾乎是透明的，只吸收2.3%的光；它的導熱系數(shù)高達5300 W/m·K，是迄今為止導熱性好的材料之一。這兩個極為優(yōu)良特性意味著它可能是傳統(tǒng)金屬熱電極的佳替代者。因為相比于傳統(tǒng)的金屬電極，由于石墨烯對光極低的吸收率，使得石墨烯作為熱電極可以緊緊的貼合在光波導的表面，而幾乎不用考慮石墨烯對光的吸收所帶來的損耗，避免了氧化層帶來的熱能損耗；同時，石墨烯極高的導熱系數(shù)意味著它能以極快的速度將熱運送至光波導上，使得調(diào)控速度大大提高。
圖1 慢光增強的石墨烯熱電極結(jié)構示意圖與掃描電子顯微鏡圖
更為巧妙的是，通過將傳統(tǒng)的普通光波導設計成具有特殊能帶結(jié)構的光子晶體波導后，再將石墨烯放置在光子晶體波導上，石墨烯熱電極的性能可以得到進一步的大幅度提升，如圖1所示。這是由于在光子晶體波導中，光在其中的傳播速度被減緩至真空中的1/30，這使得光信號的有效加熱長度大大增加，從而進一步大幅度降低了對光信號調(diào)控所需的能耗。
基于以上的理論支持，武漢光電國家實驗室的張新亮教授團隊成員董建績教授和丹麥技術大學(DTU)丁運鴻博士、Asger Mortensen教授開展合作研究，制作出了慢光增強的石墨烯熱電極器件。器件的測試結(jié)果顯示(圖2)，慢光增強的石墨烯器件的熱調(diào)效率高達1.07 nm·mW-1，相比于無慢光增強的器件提高了近一倍，使得光信號達到2p相移所需的能耗僅為3.99 mW，低于絕大多數(shù)傳統(tǒng)工藝制作的金屬熱電極的能耗；同時，光信號開關速度快至550 ns，相比于傳統(tǒng)的金屬熱電極的調(diào)制速度加快了近3個數(shù)量級，是迄今所報道的調(diào)控速度快的納米熱電極。此外，該器件的綜合評價指標(FOM)為2.543 nW·s，比已經(jīng)報道的性能佳的納米電極的綜合評價指標高30倍，被評價為迄今為止綜合性能佳的納米熱電極?？紤]未來大規(guī)模集成光子回路中各種調(diào)控單元需要用到大量的微納加熱器，在能耗和調(diào)控速率上存在諸多挑戰(zhàn)，因此本項研究成果有望在未來的大規(guī)模光子集成回路如集成化相控陣雷達、光學任意波形產(chǎn)生器等通信、國防關鍵器件上得到廣泛應用。
圖2 慢光增強的石墨烯熱電極測試結(jié)果圖
該項成果于2017年2月9日發(fā)表于世界綜合類學術期刊《Nature Communications》，博士生嚴思琦為該研究論文作者，董建績教授、丁運鴻博士為通訊作者。該項研究得到了中國國家自然科學基金委青年基金(No. 61622502)，丹麥獨立研究基金 (DFF-1337?00152 和DFF-1335?00771)和丹麥國家研究基金項目(Project DNRF103)的支持。
（原標題：當石墨烯遇到慢光：打造世界佳納米熱電極）
（原標題：當石墨烯遇到慢光：打造世界佳納米熱電極）
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