硅-石墨烯器件:未来手机之间的通信有望快速改变！

背景

光子学是一门研究光子作为信息和能量载体的行为和应用的学科。光子学及其相关技术，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、笔记本电脑和平板电脑，你有望从光子学研究中受益。

改革

最近，由美国特拉华大学电气和计算机工程系助理教授Tingyi Gu领导的团队正在开发光子设备方面的前沿技术，这些技术可以使设备和用户之间的通信更快。

最近，研究小组设计了一种“硅-石墨烯”设备，可以发射一皮秒以内的无线电波，带宽为亚太赫兹。这样不仅可以承载更多的信息，而且速度更快。他们的研究最近发表在ACS应用电子材料杂志上。

论文第一作者、研究生茅盾说:“在这项研究中，我们仔细研究了集成石墨烯的硅光子器件对未来光电应用的带宽限制。”

技术

硅是自然界产生的非常丰富的材料，通常用作电子设备中的半导体。然而，研究人员已经耗尽了仅由硅制成的半导体器件的潜力。这些器件受到硅的载流子迁移率(电荷穿过材料的速度)和间接带隙(限制了释放和吸收光的能力)的限制。

现在，顾的团队将硅与一种具有更有益特性的材料(二维材料石墨烯)结合起来。二维材料因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和直接带隙，使得电子传输更快，具有更好的电学和光学性能。通过将硅与石墨烯结合，科学家将能够继续使用已经在硅设备中使用的技术，硅和石墨烯的结合使得运算速度更快。博士生托马斯·卡纳宁(Thomas Kananen)说:“通过研究材料的特性，我们能比现在做得更多吗？这就是我们想要弄清楚的。”

为了将硅与石墨烯结合起来，该团队采用了他们正在开发的一种方法。发表在《npj 2D材料与应用》杂志上的一篇论文描述了这种方法。研究小组将石墨烯放置在一个特殊的地方，即所谓的“p-i-n结”。它是材料之间的界面。通过将石墨烯放置在“p-i-n结”上，该团队以一种可以提高响应性和设备速度的方式优化了这种结构。

这种方法是稳健的，易于其他研究人员采用。该工艺在12英寸的超薄晶圆上生产，使用小于一毫米的元器件。有些部件是在商业工厂生产的。其他工作在特拉华大学的纳米制造工厂进行，材料科学与工程系的副教授Matt Doty是该工厂的负责人。

多蒂说:“特拉华大学纳米制造设施(UNDF)是一家由员工支持的工厂，它使用户能够制造长度为7纳米的设备，这大约是人类头发直径的十分之一。UNDF成立于2016，为从光电子学到生物医学到植物科学的一系列领域带来了新的研究方向。”

价值

硅与石墨烯结合后，可以作为光电探测器，可以感知光线并产生电流，比现有方案具有更宽的带宽和更短的响应时间。所有这些研究意味着未来将会带来更便宜、更快的无线设备。博士后研究员、发表在《npj 2D材料与应用》杂志上的论文的第一作者李瑱说:“它可以让网络更强、更好、更便宜。这是光子学的重点。”

现在，该团队正在考虑扩大这种材料的应用。顾说:“我们正在寻找更多基于类似结构的组件。”

关键字

参考数据

1 https://www . udel . edu/u daily/2019/March/ting y-gu-silicon-graphene-devices/

2茅盾、托马斯·卡南宁、、阿尼什库马·索曼、杰弗里·辛斯基、尼古拉斯·彼得罗内、詹姆斯·霍恩、、顾廷毅。直接接触石墨烯-硅光电器件的带宽限制。ACS应用电子材料，2019；1(2):172 DOI:10.1021/acsaelm . 8b 00015