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硅基光子平台因为其低本钱、高集成密度、低消耗等特征，被认为是下一代光通讯的处理方案，无望代替保守的三五族半导体光模块，进一步缩小器件体积，提高光通讯系统集成度。但是，硅材料的固有性质限制了其作为有源器件如探测器、调制器的利用，亟需与其他材料的异质集成实现高机能片上光通讯器件的制备。　　石墨烯具有优良的电学和光电机能，作为光电探测器揭示出高通讯带宽和可与硅光集成的显著劣势，在光通讯范畴具有广漠的利用前景。但是，因为单层石墨烯较弱的光接收特征，石墨烯光探测器遍及具有较低的光响应度，限制了其在高机能光通讯系统中的利用，是今朝石墨烯硅光集成探测器所面对的瓶颈困难。　　针对以上问题，北京年夜学化学与份子项目学院彭海琳传授课题组与北京年夜学电子学院王兴军传授、尹建波研究员合作，提出了高响应度石墨烯探测器的设想策略，操纵改变双层石墨烯作为光接收材料，实现了兼具高响应度和高带宽的硅波导集成改变双层石墨烯光探测器的制备，相干工作以“Waveguide-integrated twisted bilayer graphene photodetectors”为题，在2024年5月1日颁发在《天然·通信》(Nature Communications)期刊上(Nature Commun. 2024, 15, 3688)。论文封面　　最近几年来，彭海琳课题组首要处置二维材料物理化学与纳米器件研究，努力在高迁徙率二维材料(石墨烯、拓扑绝缘体、氧硫族半导体)的节制合成、界面调控和器件利用研究。与合作者在国际上率先实现了4英寸超平整单晶晶圆石墨烯的发展(ACS Nano2017,11, 12337)和可范围化制备(ScienceBull. 2019, 64, 659)，并实现了高质量改变双层石墨烯的发展(Nat. Commun.2021, 12, 2391)，修建了基在改变双层石墨烯的光电探测器件(Nat. Commun.2016, 7, 10699)，和年夜面积超平整石墨烯单晶晶圆转移-集成型热电子发光器件(Nat. Commun.2022, 13, 5410)。　　比来，彭海琳课题组将改变双层石墨烯(tBLG)与硅光集成，经由过程对改变角度的设想，使tBLG能带中范霍夫奇点(vHs)的能级差与1550nm通讯波段的光子能量相婚配，显著加强了与光的耦合效力；别的，tBLG能带在接近狄拉克点处的线性色散关系使其具有与单层石墨烯接近的超高迁徙率，包管了器件具有优异的高频机能。仿真成果注解，tBLG比拟在单层石墨烯具有约3倍的耦合效力晋升，能够有用缩短沟道长度，并晋升光响应度。　　图1 波导集成tBLG探测器的布局、器件设想和材料表征。(a)波导集成tBLG探测器的布局示企图；(b)tBLG的能带布局；(c)在1550 nm的入射光下tBLG的光学电导率；(d)波导集成tBLG探测器的光接收效力仿真成果；(e)tBLG的光学显微镜照片；(f)tBLG的透射电子显微镜表征　　经由过程理论计较，当tBLG的改变角为4.1°时，vHs距狄拉克点相差0.4eV，正好为1550nm(0.8 eV)光子能量的一半，此光阴耦合效力最高。连系器件布局的设想，可在仅8μm的器件长度下实现最高0.65A/W的高光响应度，多个器件平均光响应度为0.54A/W，显著优在单层石墨烯和AB堆叠的双层石墨烯器件。图2 波导集成tBLG探测器的光响应度表征　　该石墨烯硅光器件在具有高的光响应度以外还兼具高的工作带宽，其3dB带宽可到达65GHz(受限在丈量仪器)，在50Gbit/s的通断键控调制格局下显示出清楚的眼图旌旗灯号，器件的功耗低达0.8pJ/bit，揭示出在光通讯中的利用潜力。图3 硅波导集成tBLG探测器的高频响应表征　　为验证将年夜面积tBLG与硅光集成的可能性，该研究基在石墨烯薄膜可控叠层转移手艺修建了年夜面积的波导集成tBLG光探测器阵列，揭示出36±2GHz的高带宽和0.46±0.07A/W的高响应度，具有杰出的均一机能，证实了年夜范围集成tBLG并制备高机能光通讯器件的可能性。图4 年夜面积波导集成tBLG探测器阵列的制备和机能表征　　该研究初次实现了改变双层石墨烯与硅波导集成的光电探测器的制备，连系tBLG怪异的vHs能带布局和器件布局设想，揭示了具有0.65A/W的高响应度和65GHz(受限在丈量装备)的3dB带宽等优良机能。别的，经由过程年夜面积tBLG器件阵列的制备，和高响应度(0.46±0.07A/W)和带高宽(36±2GHz)机能的验证，证实了具有vHs和线性色散能带布局的tBLG与硅光异质集成制备年夜范围高机能光通讯器件的优良潜力，特殊是斟酌到可控改变角的tBLG晶圆级发展和石墨烯晶圆级转移手艺的成长。　　彭海琳与王兴军、尹建波为该文的配合通信作者，北京年夜学化学与份子项目学院博士生武钦慈、博士后钱君、博士生王悦晨和北京年夜学电子学院研究生邢露文是该文的配合第一作者。其他首要合作者还包罗北京年夜学化学学院刘忠范传授、刘洪涛副研究员、北京年夜学电子学院舒浩文研究员等。该研究工作获得了科技部、国度天然科学基金委、北京份子科学国度研究中间、新基石基金会等机构和项目标帮助，并获得了北京年夜学化学与份子项目学院份子材料与纳米加工尝试室(MMNL)仪器平台的撑持。