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当石墨烯遇到慢光:打造世界最佳纳米热电极

本文摘要:2月9日,《大自然·通信》(NatureCommunications)刊登我校武汉光电国家实验室(捐)董建绩教授、丹麦技术大学丁运鸿博士和AsgerMortensen教授合作研究成果。该论文为题“Slow-light-enhancedenergyefficiencyforgraphenemicroheatersonsiliconphotoniccrystalwaveguides”。

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2月9日,《大自然·通信》(NatureCommunications)刊登我校武汉光电国家实验室(捐)董建绩教授、丹麦技术大学丁运鸿博士和AsgerMortensen教授合作研究成果。该论文为题“Slow-light-enhancedenergyefficiencyforgraphenemicroheatersonsiliconphotoniccrystalwaveguides”。

在“互联网+”的时代,每个人都在享用着信息产业的蓬勃发展给生活所带给的前所未有的便利体验,高速的4G/5G网络、五花八门的手机APP、智能家居、无人驾驶汽车……所有的这些我们耳熟能详的“矮小上”科技产品,无一例外地都依赖其背后的高性能数据处理、传输核心器件。在传统的核心器件中,大多都是以电子作为信息的载体,然而,由于“电子瓶颈”的不存在,使得传统的电子器件更加无法符合现代社会急遽快速增长的大比特率、低能耗的数据传输与处置的拒绝。

而将光作为信息的载体,能充份利用光信号所具备超高速、大比特率、较低处置能耗的特点,这使得构建光子器件沦为了替代传统的电子器件的最佳自由选择。为了确保构建光子器件的灵活性和可塑性,由金属材料制作的纳米热电极,经常被铺设在构建光波导上,利用光波导折射率对温度的敏感性(热光效应),超过调控构建光子器件的目的。

然而,由于金属对通信波段的光信号具有反感的吸取损耗,在实际应用于中,金属热电极与光波导之间必需另设一层坚硬的氧化物作为隔绝,正是由于这层氧化物的不存在,造成大部分热量都被水解层所切断,无法高效抵达目标波导,这必要造成调控所需的能耗较高,调控的速度也较快,不能超过毫秒(10^-3秒)量级。这些因素都相当严重容许了构建光子器件更进一步发展和应用于。来自华中科技大学武汉光电国家实验室和丹麦技术大学的科研人员通过对构建光子器件的调控问题展开长期实践与探寻后指出,将石墨烯与快光效应结合是解决问题这个问题的一个有效地方案。

作为一个近年来频密经常出现在人们视线中的热门词汇,石墨烯因为其所具备的许多独有而又无法解释的物理性质,沦为了科学界和产业界追赶的焦点。石墨烯由碳原子按照呈圆形蜂巢型六角晶格排序包含,它是一种只有一个原子厚度的二维类似材料。因此,它具有许多其他常规材料所不具备的类似物理性质,例如,它完全是半透明的,只吸取2.3%的光;它的导电系数高达5300W/m·K,是迄今为止导热性最差的材料之一。这两个十分优良特性意味著它有可能是传统金属热电极的最佳替代者。

因为比起于传统的金属电极,由于石墨烯对光极低的吸收率,使得石墨烯作为热电极可以抱住的契合在光波导的表面,而完全不必考虑到石墨烯对光的吸取所带给的损耗,防止了水解层带给的热能损耗;同时,石墨烯极高的导电系数意味著它能以很慢的速度将冷载运至光波导上,使得调控速度大大提高。图1快光强化的石墨烯热电极结构示意图与扫瞄电子显微镜图更加精妙的是,通过将传统的普通光波导设计成具备类似能带结构的光子晶体波导后,再行将石墨烯摆放在光子晶体波导上,石墨烯热电极的性能可以获得更进一步的大幅提高,如图1右图。

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这是由于在光子晶体波导中,光在其中的传播速度被减慢至真空中的1/30,这使得光信号的有效地冷却长度大大增加,从而更进一步大幅度降低了对光信号调控所需的能耗。基于以上的理论反对,武汉光电国家实验室的张新亮教授团队成员董建绩教授和丹麦技术大学(DTU)丁运鸿博士、AsgerMortensen教授积极开展合作研究,制作出有了快光强化的石墨烯热电极器件。

器件的测试结果显示(图2),快光强化的石墨烯器件的热调效率高约1.07nm·mW-1,比起于无慢光强化的器件提升了近一倍,使得光信号超过2p光波所需的能耗仅有为3.99mW,高于绝大多数传统工艺制作的金属热电极的能耗;同时,光信号电源速度快至550ns,比起于传统的金属热电极的调制速度减缓了近3个数量级,是目前为止所报导的调控速度最慢的纳米热电极。此外,该器件的综合评价指标(FOM)为2.543nW·s,比早已报导的性能最佳的纳米电极的综合评价指标低30倍,被评价为迄今为止综合性能最佳的纳米热电极。考虑到未来大规模构建光子电路中各种调控单元必须中用大量的微纳加热器,在能耗和调控速率上不存在诸多挑战,因此本项研究成果未来将会在未来的大规模光子构建电路如集成化相控阵雷达、光学给定波形产生器等通信、国防关键器件上获得广泛应用。

图2快光强化的石墨烯热电极测试结果图该项成果于2017年2月9日公开发表于世界顶级综合类学术期刊《NatureCommunications》,博士生严思琦为该研究论文第一作者,董建绩教授、丁运鸿博士为通讯作者。该项研究获得了中国国家自然科学基金委优秀青年基金(No.61622502),丹麦独立国家研究基金(DFF-1337?00152和DFF-1335?00771)和丹麦国家研究基金项目(ProjectDNRF103)的反对。


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