石墨烯在光电子器件中的应用

石墨烯在光电子器件中的应用

摘要：石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，有着优异的机械性能、超高的热导率和载流子迁移率、超宽带的光学响应谱，以及极强的非线性光学特性。且因其卓越的光学与电学性能及其与硅基半导体工艺的兼容性，石墨烯受到了各领域学科的高度关注。本文重点综述了石墨烯在超快脉冲激光器、光调制器、光探测器、表面等离子体等光电子器件领域的应用研究进展，并对其未来发展趋势进行了进一步的分析。

关键字：石墨烯;光调制器;光探测器;超快脉冲激光器;表面等离子体;

1、前言

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有独特的零带隙能带结构，是一种半金属薄膜材料。石墨烯不仅有特殊的二维平面结构，还有着优良的力学、热学、电学、光学性质。其机械强度很大，断裂强度比优质的钢材还要高，同时又具备良好的弹性、高效的导热性以及超强的导电性。石墨烯又是一种禁带宽度几乎为零的特殊材料，其电子迁移速率达到了1/300光速。由于石墨烯几乎是透明的，因此光的透过率可高97.7%。此外，石墨烯的加工制备可与现有的半导体CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor transistor)工艺兼容，器件的构筑、加工、集成简单易行，在新型光电器件的应用方面具有得天独厚的优势。

目前，人们已利用石墨烯开发出一系列新型光电器件，并显示出优异的性能和良好的应用前景。

2、石墨烯的基本性质

石墨烯具有独特的二维结构，并且能分解为零维富勒烯，也可以卷曲成一维碳纳米管，或堆积成为三维石墨。石墨烯力学性质高度稳定，碳原子连接比较柔韧，当施加外力时，碳原子面就会发生弯曲形变。

在理想的自由状态下，单层石墨烯并非完美的平面结构，表面不完全平整，在薄膜边缘处出现明显的波纹状褶皱，而在薄膜内部褶皱并不显，多层石墨烯边缘处的起伏幅度要比单层石墨烯稍小。这也说明了石墨烯在受到拉伸、弯曲等外力作用时仍能保持高效的力学稳定性。

在一定能量范围内,石墨烯中的电子能量与动量呈线性关系，所以电子可视为无质量的相对论粒子即狄拉克费米子。通过化学掺杂或电学调控的手段，可以有效地调节石墨烯的化学势，使得石墨烯的光学透过性由“介质态”向“金属态”转变。

石墨烯的功函数与铝的功函数相近，约为4.3eV，因此在有机光电器件中有望取代铝来做透明电极。近年来所观测到的显著的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应，证实了石墨烯是未来纳米光电器件领域极有前景的材料。

3、基于石墨烯的光调制器

3.1 直波导结构石墨烯光调制器

光学调制是改变光的一个或多个特征参数，并通过外界各种能量形式实现编码光学信号的过程。对光学调制器件的评价有调制带宽、调制深度、插入损耗、比特能耗以及器件尺寸等性能指标。大多数情况下，光在

材料中的行为可通过材料折射率的变化来预测，所以光学调制的过程实际上也是一个材料折射率变化的过程。

光学调制的方式有很多，比如电光、热光、声光调制等。在以上诸多的方式中，电光调制具有速度快、带宽高等优点，是目前研究的热点。

所谓电光调制，就是指外加电场引起材料折射率实部与虚部的变化，实部的变化称为电致折射，虚部的变化称为电致吸收。现阶段研究的调制器的有源材料主要有硅、Ⅲ-Ⅳ族化合物以及电光材料 LiNbO3等。

但是，传统光调制器工作带宽较窄、器件尺寸难以进一步缩小的缺点限制了其在宽带大数据传输当中的应用。相较之下，基于石墨烯的光调制器因具有宽波段可调、调制速度快、有源区尺寸小等优势而备受关注。

2011年，科学家在《Nature》

杂志发表研究论文报道了基于石墨烯材料的波导集成光调制器，将单层石墨烯材料铺覆在硅波导表面，通过电调谐石墨烯材料的费米能级，改变材料的光吸收特性，实现光学信“0”和“1”之间的开关调制。该器件有着众多优点，包括:宽的光学带宽(1.35～1.6μm)、大的调制深度(0.1 dB/μm)、小的尺寸(25μm^2)等。如此紧凑的尺寸及优越的性能为实现光学器件的高密度集成及片上光通信提供了新颖可行的思路和技术方案。另外，石墨烯超快的载流子迁移率以及与 CMOS 工艺可以相兼容的特性使其在调制器方面的前途一片光明。

2012年,该组在原有工作基础上，改用双层石墨烯代替单层石烯，从而避免引入硅材料作为栅极,克服了硅光子所造成的影响，从而获得更高的调制深度。

目前，这些波导集成调制器所面临的主要问题之一就是石墨烯与光的相互作用并未达到最强。针对这个问题，Kim等在2011年提出了脊形波导调制器的结构模型(下图)：

主要的设计思想是在图中器件结构的基础上，在顶层单晶硅上蒸镀一层多晶硅，将光场最大地限制在石墨烯层附近，理论模拟的光场分布见下图：

此外，为防止Al2 O3降低石墨烯的载流子迁移率，故将其换成六方氮化硼(hBN)。同时由于hBN较低的介电常数，使得器件的电容电阻时间常数也降了，最终可以使调制深度与调制速率都得到较大幅度的提升。

此外，因为开关过程中有带内跃迁的参与，而带内弛豫时间小于带间弛豫时间，故该器件在理论上具有超高的调制速度。

3.2 微环结构石墨烯光调制器

环形谐振结构自2005年被应用于调制器领域后便备受青睐。环形谐振指的是光从直波导耦合进入微环当中，传输一周后会与后续进入微环中的光学信号发生干涉效应，最终选择性的输出一部分光，剩下的部分光会在微环中完全损耗掉，即发生谐振效应。

环形谐振结构的调制器有两大优点:较大的消光比以及较小的尺寸，2011年，Bao

等首次提出了基于单层

石墨烯环形谐振结构的调制器模型，见下图：

2012年，Midrio等在此工作的基础上又提出了双层石墨烯环形谐振结构调制器，并使用有限元等数值模拟方法对该器件作了深入的研究。

该调制器通过在垂直叠加的两片石墨烯上施加电压形成可以调制其费米能级的电场，并通过改变外加电压实现调节其吸收系数的目的，进而改变环形波导处的传输系数，最终实现调制器从临界耦合状态到非临界耦合状态的转换，形成开关路。模拟表明，它的消光比能够达到44 dB。此外，该调制器的开关电压以及比特能耗最低分别能达到1.2V和10～30 fJ /bit，同时它的理论带宽可达到100 GHz。

3.3垂直透射式石墨烯结构光调制器

垂直透射式石墨烯结构光调制器适用于需要低插入损耗、自由空间的应用场合，比如高Q 值激光谐振腔中的振幅调制。

2012年Lee等首次制备出基于单层石墨烯的反射式平面调制器，如下图所示：

图中的银镜既充当背电极，也作为反射面。测试结果显示，该器件的 3dB 带宽能够达到154MHz。如下图：

此外，它的有源面积大于7850 μm^2，这一特性令其有可能应用到激光器和有源干涉仪等光电器件上。

Polat等提出了另外一种垂直入射式调制器。如下图：

他们将石墨烯分别转移到两个石英基底上，并面对面放在一起，之后用电解质填充石墨烯间的空隙，最终形成一个超级电容器结构。在两端石墨烯上加电压，调节其费米能级，实现光学信号的调制。为避免单层石墨烯调制深度小这一问题，采用多层石墨烯以及反射式结构增强其与光的相

互作用，最终获得超宽的光学带宽以