石墨烯光電子器件的應用研究進展

張魯一航

摘要：石墨烯從2004年被發(fā)現(xiàn)之后，因具備電學性能和光學性能的卓越特點備注矚目。而且人們還發(fā)現(xiàn)，石墨烯在電子領(lǐng)域中和硅基半導體工藝之間有著超高的兼容性，因此，在工業(yè)界和學術(shù)界受到了諸多學者的廣泛關(guān)注。這些陸續(xù)被研制出的以石墨烯為原料的光電子器件，在優(yōu)異的性能上已經(jīng)展現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)的發(fā)展前景。本文重點分析了近年來，石墨烯在光調(diào)制器、超快脈沖激光器以及光探測器等領(lǐng)域的研究與進展，以及目前所面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：石墨烯；光電子器件；應用研究與進展

概述

在硅基光電子技術(shù)的發(fā)展中，這個有望為人類未來實現(xiàn)超高徐寬帶數(shù)據(jù)通訊的化學載體，卻因為無法集約化、微型化等問題阻礙了它在傳輸領(lǐng)域和寬帶數(shù)據(jù)計算中的應用。而作為一種特殊的晶體薄膜材料，因為擁有者超高的熱導率、優(yōu)異的機械性能以及極強的非線性光學特征，使得石墨烯在光電子器件和新型光學領(lǐng)域中有著得天獨厚的物理優(yōu)勢。甚至是徹底改變了人們對于二維原子晶體材料的認知。因此，石墨烯也被學術(shù)界認定為是繼硅基半導體后具有劃時代意義的新型電子材料。

一、石墨烯的光學性能

研究表明，石墨烯具有良好的光學性能，相對于其他傳統(tǒng)半導體材料，石墨烯的透光率可高達97.7%，寬波段具備調(diào)節(jié)的光學性能，讓石墨烯可以迅速的進入光電子器件研究使用者的視野之中。目前所研制出的新型光電子器件愛工作光譜的寬范圍、熱損傷的高閾值等方面都有著不可忽視的優(yōu)點，甚至在加工的過程中易于整合，制作簡單。2009年至2012年間，美國和西班牙等國家的課題組都在光電子器具的性能上，依據(jù)石墨烯做出了相應的研究成果。

石墨烯不僅是光調(diào)制器、超快脈沖激光器以及光探測器等表面等離子體基的研究基石，更是作為新時代納米光電子領(lǐng)域陣地研究的熱點。

（一）線性光學性質(zhì)

石墨烯有著區(qū)別于傳統(tǒng)電子材料結(jié)構(gòu)的一個最為顯著的特點，就是二維石墨烯布里淵區(qū)K點的能力和動量所形成的線性關(guān)系，可以使載流子的有效質(zhì)量變?yōu)?。這種物理性性質(zhì)依附于石墨烯自身具備的能帶關(guān)系。使得單層石墨烯有著很強的吸光率。在一定的能量關(guān)系中，其動量與電子能量呈現(xiàn)著線性管子，通過對石墨烯化學式的有效調(diào)節(jié)，可以使石墨烯的光學特性從“介質(zhì)態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖饘賾B(tài)”。

（二）非線性光學性質(zhì)

石墨烯非線性光學性質(zhì)產(chǎn)生的原因，一般是由于是石墨烯內(nèi)碳原子的外層電子與射光所產(chǎn)生的電場發(fā)生磁共振，從而使石墨烯內(nèi)部的電子云和原子核產(chǎn)生了相對位置的偏移和極化。

二、石墨烯光調(diào)制器

光學信號有著振幅、頻率、強度、相位和傳播方向的特征，而想要通過外界的各種能量形式來實現(xiàn)編碼光學信號等相關(guān)過程，光學調(diào)制器則成為了一種改變光的特征參數(shù)的有力武器。光可以通過材料的折射率來進行變化的預測，因此，光學調(diào)制的過程和方式也有很多，比如聲光調(diào)制、熱光調(diào)制以及電光調(diào)試等。在以上的三種調(diào)試方法中，因為帶寬高、速度快等多方面的優(yōu)點，常被用于目前的研究中。電光調(diào)試簡單的來說，就是外加電磁場對材料折射率虛部和實部所產(chǎn)生的影響變化。石墨烯的出現(xiàn)也一定程度上解決了傳統(tǒng)光調(diào)制器由于工作帶寬窄而限制大數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋锥恕?/p>

三、石墨烯光探測器

由于石墨烯具有超快的載流子遷移率和寬帶光吸收以及零帶隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)異特點，被光探測器中作為活性層而靈活的使用，這種超越了其他的半導體探測器的化學物質(zhì)，讓它在寬帶高速光探測領(lǐng)域中發(fā)揮著極大的作用。在對石墨烯光探測器的性能嘗試中，經(jīng)過研究人員的多方努力，其中一種研究取得了十分突出的成果。利用納米結(jié)構(gòu)表面等離子效應將光能轉(zhuǎn)化為的等離子共振，從而促進石墨烯內(nèi)部光生載流子起到更大的作用。這種研究成果的取得有效的提高了器件的光電探測的速率，更通過對納米結(jié)構(gòu)的改變，實現(xiàn)了對特定坡長入射光信號的選擇性響應。

結(jié)語

通過對石墨烯等離子特性的相關(guān)利用，可以制造出多種有源和無源的光電子器具，與此同時，這一新興的材料也收到了工業(yè)界研究人員的關(guān)注，越來越多的相關(guān)行業(yè)研究者看是在軍事、通訊等多方面注重對石墨烯的探索和研究。它所具備的優(yōu)異的光學特性，通過復合和集成，全方位的提高了以硅基為主的半導體器件的綜合性能。但在實現(xiàn)石墨烯光電子器件的商用化應用中還有許多科學性的問題需要解決。未來石墨烯光電子器具的應用和發(fā)展中，還有很多路需要走。

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