當(dāng)石墨烯遇到慢光：打造世界最佳納米熱電極

　　2月9日，《自然·通信》(Nature Communications)刊發(fā)我校武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)董建績(jī)教授、丹麥技術(shù)大學(xué)丁運(yùn)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(shí)代，每個(gè)人都在享受著信息產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展給生活所帶來(lái)的前所未有的便捷體驗(yàn)，高速的4G/5G網(wǎng)絡(luò)、五花八門的手機(jī)APP、智能家居、無(wú)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(wú)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(lái)越難以滿足現(xiàn)代社會(huì)急劇增長(zhǎng)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(hào)所具有超高速、大帶寬、低處理能耗的特點(diǎn)，這使得集成光子器件成為了替代傳統(tǒng)的電子器件的最佳選擇。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(shè)在集成光波導(dǎo)上，利用光波導(dǎo)折射率對(duì)溫度的敏感性(熱光效應(yīng))，達(dá)到調(diào)控集成光子器件的目的。然而，由于金屬對(duì)通信波段的光信號(hào)有著強(qiáng)烈的吸收損耗，在實(shí)際應(yīng)用中，金屬熱電極與光波導(dǎo)之間必須設(shè)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(dǎo)致大部分熱量都被氧化層所阻斷，無(wú)法高效到達(dá)目標(biāo)波導(dǎo)，這直接導(dǎo)致調(diào)控所需的能耗較高，調(diào)控的速度也較慢，只能達(dá)到毫秒(10^-3秒)量級(jí)。這些因素都嚴(yán)重限制了集成光子器件進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

　　來(lái)自華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和丹麥技術(shù)大學(xué)的科研人員通過對(duì)集成光子器件的調(diào)控問題進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)踐與探索后認(rèn)為，將石墨烯與慢光效應(yīng)相結(jié)合是解決這個(gè)問題的一個(gè)有效方案。作為一個(gè)近年來(lái)頻繁出現(xiàn)在人們視線中的熱門詞匯，石墨烯因?yàn)槠渌哂械脑S多獨(dú)特而又奇異的物理性質(zhì)，成為了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界追逐的焦點(diǎn)。石墨烯由碳原子按照呈蜂巢型六角晶格排列構(gòu)成，它是一種只有一個(gè)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(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/m·K，是迄今為止導(dǎo)熱性最好的材料之一。這兩個(gè)極為優(yōu)良特性意味著它可能是傳統(tǒng)金屬熱電極的最佳替代者。因?yàn)橄啾扔趥鹘y(tǒng)的金屬電極，由于石墨烯對(duì)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(dǎo)的表面，而幾乎不用考慮石墨烯對(duì)光的吸收所帶來(lái)的損耗，避免了氧化層帶來(lái)的熱能損耗;同時(shí)，石墨烯極高的導(dǎo)熱系數(shù)意味著它能以極快的速度將熱運(yùn)送至光波導(dǎo)上，使得調(diào)控速度大大提高。

　　圖1 慢光增強(qiáng)的石墨烯熱電極結(jié)構(gòu)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(dǎo)設(shè)計(jì)成具有特殊能帶結(jié)構(gòu)的光子晶體波導(dǎo)后，再將石墨烯放置在光子晶體波導(dǎo)上，石墨烯熱電極的性能可以得到進(jìn)一步的大幅度提升，如圖1所示。這是由于在光子晶體波導(dǎo)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(hào)的有效加熱長(zhǎng)度大大增加，從而進(jìn)一步大幅度降低了對(duì)光信號(hào)調(diào)控所需的能耗。

　　基于以上的理論支持，武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的張新亮教授團(tuán)隊(duì)成員董建績(jī)教授和丹麥技術(shù)大學(xué)(DTU)丁運(yùn)鴻博士、Asger Mortensen教授開展合作研究，制作出了慢光增強(qiáng)的石墨烯熱電極器件。器件的測(cè)試結(jié)果顯示(圖2)，慢光增強(qiáng)的石墨烯器件的熱調(diào)效率高達(dá)1.07 nm·mW-1，相比于無(wú)慢光增強(qiáng)的器件提高了近一倍，使得光信號(hào)達(dá)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(shí)，光信號(hào)開關(guān)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(gè)數(shù)量級(jí)，是迄今所報(bào)道的調(diào)控速度最快的納米熱電極。此外，該器件的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)(FOM)為2.543 nW·s，比已經(jīng)報(bào)道的性能最佳的納米電極的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)高30倍，被評(píng)價(jià)為迄今為止綜合性能最佳的納米熱電極?？紤]未來(lái)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(xiàng)研究成果有望在未來(lái)的大規(guī)模光子集成回路如集成化相控陣?yán)走_(dá)、光學(xué)任意波形產(chǎn)生器等通信、國(guó)防關(guān)鍵器件上得到廣泛應(yīng)用。

　　圖2 慢光增強(qiáng)的石墨烯熱電極測(cè)試結(jié)果圖

　　該項(xiàng)成果于2017年2月9日發(fā)表于世界頂級(jí)綜合類學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》，博士生嚴(yán)思琦為該研究論文第一作者，董建績(jī)教授、丁運(yùn)鴻博士為通訊作者。該項(xiàng)研究得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金(No. 61622502)，丹麥獨(dú)立研究基金 (DFF-1337?00152 和DFF-1335?00771)和丹麥國(guó)家研究基金項(xiàng)目(Project DNRF103)的支持。