硅-石墨烯器件：未来手机间通信有望变更快！

近日，美国特拉华大学设计出一种“硅-石墨烯”器件，它能以亚太赫兹的带宽，在一皮秒之内发射无线电波。这样不仅可以携带更多的信息，而且速度也更快。

背景

光子学（photonics）是研究作为信息和能量载体的光子的行为及其应用的学科。光子学及其发展的相关技术即光子技术，具有丰富的内涵和广阔的应用前景。如果你使用智能手机、笔记本电脑、平板电脑，那么就有望从光子学的研究中获益。

光子芯片（图片来源：布里斯托大学）

创新

近日，美国特拉华大学电气与计算机工程系助理教授Tingyi Gu 领导的一支团队正在开发光子器件方面的前沿技术，该技术可以使得器件之间以及使用者之间的通信速度更快。

（图片来源：特拉华大学）

最近，该研究小组设计出一种“硅-石墨烯”器件，它能以亚太赫兹的带宽，在一皮秒之内发射无线电波。这样不仅可携带更多信息，而且速度也更快。他们的研究近期发表在《美国化学会应用电子材料（ACS Applied Electronic Materials）》期刊上。

（图片来源：特拉华大学）

论文第一作者、研究生Dun Mao 表示：“在这项研究中，我们仔细研究了用于未来光电子应用的集成石墨烯的硅光子器件的带宽限制。”

技术

硅是大自然产生的一种非常富足的材料，通常作为电子器件中的半导体使用。然而，研究人员们已经耗尽了仅由硅制成的半导体器件的潜能。这些设备受制于硅的载流子迁移率（电荷通过材料的速度）以及间接带隙（限制了释放和吸收光线的能力）。

现在，Gu 的团队将硅与一种具有更多有益特性的材料（二维材料石墨烯）相结合。二维材料以只有一层原子而得名。与硅相比，石墨烯具有更好的载流子迁移率以及直接带隙，使得电子传输得更快，并且电气和光学特性更好。通过将硅与石墨烯相结合，科学家们将可以继续利用已经在硅器件中使用的技术，硅与石墨烯的结合使运行速度变得更快。博士生Thomas Kananen 表示：“通过研究材料的特性，我们能否比现在做更多的事情？这就是我们想要搞清楚的。”

为了将硅与石墨烯相结合，团队采用了一种他们正在开发的方法。一篇发表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的论文描述了这种方法。团队将石墨烯放置到一个特殊的地方，即所谓的“p-i-n结”。它是材料之间的一种接口。通过将石墨烯放置在“p-i-n 结”上，团队以一种可以提升响应率和器件速度的方法优化了这个结构。

（图片来源：参考资料【2】）

这个方法很健壮，而且便于其他研究人员采用。这一工艺产生在12英寸的超薄材料晶圆上，并利用了小于一毫米的元件。某些元件是在商业制造厂生产。其他的工作在特拉华大学的纳米制造设施进行，材料科学与工程系副教授Matt Doty 是该设施的主任。

Doty 表示：“特拉华大学纳米制造设施（UNDF）是一个员工支持的工厂，它使用户可在7纳米的长度级别制造设备，约为人类发丝直径的万分之一。UNDF成立于2016年，为从光电子学到生物医学再到植物科学的一系列领域带来了新的研究方向。”

价值

硅与石墨烯结合之后，可作为光电探测器使用，可以感知光线，并制造电流，并且比现有方案的带宽更大和响应时间更少。所有这些研究意味着未来将带来更便宜、更快速的无线设备。博士后研究员、发表在《npj 2D Materials and Application》期刊上的论文第一作者Tiantian Li 表示：“它可以使得网络更强、更好、更便宜。这是光子学的关键点。”

现在，团队正在思考拓展这种材料的应用途径。Gu 表示：“我们正在寻找更多的基于类似结构的元件。”

关键字

光子、电子、通信

参考资料

【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