當石墨烯遇到慢光：打造世界最佳納米熱電極

　　2月9日，《自然·通信》(Nature Communications)刊發(fā)我校武漢光電國家實(shí)驗室(籌)董建績(jì)教授、丹麥技術(shù)大學(xué)丁運鴻博士和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(zhù)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，高速的4G/5G網(wǎng)絡(luò )、五花八門(mén)的手機APP、智能家居、無(wú)人駕駛汽車(chē)……所有的這些我們耳熟能詳的“高大上”科技產(chǎn)品，無(wú)一例外地都依賴(lài)于其背后的高性能數據處理、傳輸核心器件。在傳統的核心器件中，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，使得傳統的電子器件越來(lái)越難以滿(mǎn)足現代社會(huì )急劇增長(cháng)的大帶寬、低能耗的數據傳輸與處理的要求。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，常被鋪設在集成光波導上，利用光波導折射率對溫度的敏感性(熱光效應)，達到調控集成光子器件的目的。然而，由于金屬對通信波段的光信號有著(zhù)強烈的吸收損耗，在實(shí)際應用中，金屬熱電極與光波導之間必須設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，導致大部分熱量都被氧化層所阻斷，無(wú)法高效到達目標波導，這直接導致調控所需的能耗較高，調控的速度也較慢，只能達到毫秒(10^-3秒)量級。這些因素都嚴重限制了集成光子器件進(jìn)一步發(fā)展和應用。

　　來(lái)自華中科技大學(xué)武漢光電國家實(shí)驗室和丹麥技術(shù)大學(xué)的科研人員通過(guò)對集成光子器件的調控問(wèn)題進(jìn)行長(cháng)期實(shí)踐與探索后認為，將石墨烯與慢光效應相結合是解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)有效方案。作為一個(gè)近年來(lái)頻繁出現在人們視線(xiàn)中的熱門(mén)詞匯，石墨烯因為其所具有的許多獨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(zhù)許多其他常規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;它的導熱系數高達5300 W/m·K，是迄今為止導熱性最好的材料之一。這兩個(gè)極為優(yōu)良特性意味著(zhù)它可能是傳統金屬熱電極的最佳替代者。因為相比于傳統的金屬電極，由于石墨烯對光極低的吸收率，使得石墨烯作為熱電極可以緊緊的貼合在光波導的表面，而幾乎不用考慮石墨烯對光的吸收所帶來(lái)的損耗，避免了氧化層帶來(lái)的熱能損耗;同時(shí)，石墨烯極高的導熱系數意味著(zhù)它能以極快的速度將熱運送至光波導上，使得調控速度大大提高。

　　圖1 慢光增強的石墨烯熱電極結構示意圖與掃描電子顯微鏡圖

　　更為巧妙的是，通過(guò)將傳統的普通光波導設計成具有特殊能帶結構的光子晶體波導后，再將石墨烯放置在光子晶體波導上，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，這使得光信號的有效加熱長(cháng)度大大增加，從而進(jìn)一步大幅度降低了對光信號調控所需的能耗。

　　基于以上的理論支持，武漢光電國家實(shí)驗室的張新亮教授團隊成員董建績(jì)教授和丹麥技術(shù)大學(xué)(DTU)丁運鴻博士、Asger Mortensen教授開(kāi)展合作研究，制作出了慢光增強的石墨烯熱電極器件。器件的測試結果顯示(圖2)，慢光增強的石墨烯器件的熱調效率高達1.07 nm·mW-1，相比于無(wú)慢光增強的器件提高了近一倍，使得光信號達到2p相移所需的能耗僅為3.99 mW，低于絕大多數傳統工藝制作的金屬熱電極的能耗;同時(shí)，光信號開(kāi)關(guān)速度快至550 ns，相比于傳統的金屬熱電極的調制速度加快了近3個(gè)數量級，是迄今所報道的調控速度最快的納米熱電極。此外，該器件的綜合評價(jià)指標(FOM)為2.543 nW·s，比已經(jīng)報道的性能最佳的納米電極的綜合評價(jià)指標高30倍，被評價(jià)為迄今為止綜合性能最佳的納米熱電極?？紤]未來(lái)大規模集成光子回路中各種調控單元需要用到大量的微納加熱器，在能耗和調控速率上存在諸多挑戰，因此本項研究成果有望在未來(lái)的大規模光子集成回路如集成化相控陣雷達、光學(xué)任意波形產(chǎn)生器等通信、國防關(guān)鍵器件上得到廣泛應用。

　　圖2 慢光增強的石墨烯熱電極測試結果圖

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