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北京大學(xué)，重磅Nature子刊！

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研究背景
在光通信領(lǐng)域，硅光子學(xué)（SiPh）技術(shù)因其將波導(dǎo)、濾波器、光電探測(cè)器和波長(zhǎng)分復(fù)用器等元素集成到一個(gè)硅芯片中的能力而備受矚目。然而，盡管SiPh具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但仍然面臨著一些挑戰(zhàn)，其中之一是光電探測(cè)器的性能問(wèn)題。
光電探測(cè)器的性能對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男手陵P(guān)重要。高遷移率材料，如單層石墨烯，已經(jīng)被證明是一種有潛力的材料，可以與SiPh集成，實(shí)現(xiàn)高帶寬的光通信。然而，石墨烯光電探測(cè)器通常具有低的光響應(yīng)度，這主要是由于其弱光吸收能力所致。因此，解決石墨烯光電探測(cè)器光響應(yīng)度低的問(wèn)題成為了當(dāng)前研究的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。
為了解決這一問(wèn)題，科學(xué)家們開始探索如何增強(qiáng)石墨烯光電探測(cè)器的光吸收能力。過(guò)去的研究主要集中在通過(guò)外部吸收增強(qiáng)結(jié)構(gòu)來(lái)提高光響應(yīng)度，如等離子體輔助納米結(jié)構(gòu)、光子晶體波導(dǎo)和光吸收層等。然而，這些方法都是在石墨烯之外設(shè)計(jì)吸收增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，而不是直接改變核心通道材料的性質(zhì)。
成果簡(jiǎn)介
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，北京大學(xué)彭海琳教授、王興軍教授、北京大學(xué)Qinci Wu研究團(tuán)隊(duì)等人聯(lián)合在“Nature Communications”期刊上發(fā)表了題為“Waveguide-integrated twisted bilayer graphene photodetectors”的最新論文。
本研究針對(duì)石墨烯光電探測(cè)器的光響應(yīng)度問(wèn)題提出了一種新的解決方案。研究人員將扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯（tBLG）引入到SiPh中，以增強(qiáng)光電探測(cè)器通道的光吸收能力。通過(guò)在SiPh中集成tBLG光電探測(cè)器，研究人員實(shí)現(xiàn)了高達(dá)0.65 A W–1的響應(yīng)度，以及大于65 GHz的3 dB帶寬和50 Gbit s–1的數(shù)據(jù)流速率。此外，他們還展示了大規(guī)模高遷移率tBLG的均勻性表現(xiàn)，為其作為SiPh的異質(zhì)集成材料提供了前景。
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圖文導(dǎo)讀

在圖1中，研究者首先展示了tBLG SiPh光電探測(cè)器的器件概念和模擬結(jié)果。圖1a展示了tBLG光電探測(cè)器的示意圖，其中tBLG作為光吸收介質(zhì)引入到Si波導(dǎo)上，并且采用地-信號(hào)-地（GND-S-GND）電極來(lái)收集光電流。模擬結(jié)果顯示，通過(guò)這種配置，tBLG器件在源端具有兩個(gè)電極/tBLG界面，這有助于分離tBLG中的光載流子，從而增強(qiáng)了光電流。圖1b展示了計(jì)算的4.1° tBLG的低能帶結(jié)構(gòu)，顯示了紅色箭頭指示的共振光吸收。而圖1c則顯示了tBLG的光學(xué)導(dǎo)電率與扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系，其中tBLG的光學(xué)導(dǎo)電率在1550 nm處達(dá)到最大值。圖1d進(jìn)一步展示了tBLG在該配置下的吸收率，表明相比于其他材料，tBLG具有更高的吸收性能。
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圖1：器件概念和波導(dǎo)集成的扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯光電探測(cè)器的模擬。
在圖2中，研究者展示了tBLG光電探測(cè)器的穩(wěn)態(tài)光響應(yīng)結(jié)果。圖2a展示了波導(dǎo)集成的tBLG光電探測(cè)器的掃描電子顯微鏡圖像，顯示了tBLG的位置。圖2b展示了不同材料（4.1° tBLG、AB堆疊BLG和SLG）的光電流隨偏置電壓的變化情況。結(jié)果顯示，4.1° tBLG的光電流明顯高于其他兩種材料，表明其在1550 nm光檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。圖2c進(jìn)一步展示了不同材料在不同波長(zhǎng)下的光電流變化情況，結(jié)果也再次印證了4.1° tBLG在波段光學(xué)響應(yīng)上的優(yōu)勢(shì)。此外，圖2d展示了不同光功率下各種材料的光響應(yīng)度變化情況，結(jié)果表明4.1° tBLG的光響應(yīng)度明顯高于其他兩種材料。最后，圖2e展示了16個(gè)具有相同器件幾何形狀的tBLG光電探測(cè)器的統(tǒng)計(jì)直方圖，結(jié)果再次印證了tBLG光電探測(cè)器的優(yōu)異性能和良好的器件一致性。
北京大學(xué)，重磅Nature子刊！圖2. 光電探測(cè)器的穩(wěn)態(tài)光響應(yīng)。
在圖3中，研究者首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)置和分析工具，對(duì)tBLG光電探測(cè)器的高頻響應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)研究。通過(guò)測(cè)量參數(shù)S21，即光電響應(yīng)，研究者發(fā)現(xiàn)，tBLG光電探測(cè)器在1至65 GHz范圍內(nèi)保持在-3 dB以上，表明其3 dB帶寬（f3dB）超過(guò)65 GHz。進(jìn)一步的模擬分析顯示，器件的f3dB可能主要受到RC參數(shù)的限制。此外，研究者進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，展示了50 Gbit s–1 OOK信號(hào)的眼圖，證明了tBLG光電探測(cè)器在高速數(shù)據(jù)傳輸方面的潛力。器件的功耗約為0.8 pJ bit–1，比當(dāng)前用于放大光電流的典型跨導(dǎo)放大器的功耗更低，顯示出其在未來(lái)應(yīng)用中的潛力。
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圖3. 波導(dǎo)集成 tBLG 光電探測(cè)器的高頻光響應(yīng)和數(shù)據(jù)接收測(cè)試。
在圖4中，研究者展示了將大尺寸tBLG集成到SiPh中的可能性。首先，他們?cè)敿?xì)描述了大規(guī)模tBLG的制備過(guò)程，包括從Cu(111)上切割出的單向SLG單晶體，以及如何將其轉(zhuǎn)移到硅波導(dǎo)襯底上，形成約4.1°的扭轉(zhuǎn)角。然后，研究者基于轉(zhuǎn)移后的tBLG制備了一個(gè)包含八個(gè)器件的光電探測(cè)器陣列。通過(guò)測(cè)量這些器件的性能，研究者發(fā)現(xiàn)，這些器件的平均3 dB帶寬為36 ± 2 GHz，平均光響應(yīng)度為0.46 ± 0.07 A W–1。這些結(jié)果表明，研究者不僅展示了一種可靠的大規(guī)模tBLG制備和轉(zhuǎn)移到硅光子襯底的方法，而且證實(shí)了這些器件具有一致的性能。這些成果為tBLG在SiPh中的大面積集成提供了重要的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，有望推動(dòng)下一代高性能光電器件的發(fā)展。
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圖4. 扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯光電探測(cè)器的大面積集成。
總結(jié)展望

本研究展示了將扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯（tBLG）集成到硅光子學(xué)中作為光電探測(cè)器的潛力。通過(guò)利用tBLG在帶結(jié)構(gòu)中van Hove奇點(diǎn)（vHs）處增強(qiáng)的光吸收效應(yīng)，以及電極/tBLG界面處的強(qiáng)電場(chǎng)，我們實(shí)現(xiàn)了在1550nm光下顯著提高的光響應(yīng)度。這不僅拓展了光電探測(cè)器的帶寬至超過(guò)65 GHz，并使其在50 Gbit s–1的數(shù)據(jù)傳輸速率下仍能表現(xiàn)出色。此外，我們還展示了大面積tBLG光電探測(cè)器陣列，具有高響應(yīng)度和高帶寬。這些結(jié)果為未來(lái)光通信設(shè)備的發(fā)展提供了新的思路和方法，為構(gòu)建高性能、低成本的光通信系統(tǒng)鋪平了道路。此外，我們的研究還推動(dòng)了石墨烯及其衍生材料在光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，促進(jìn)了材料科學(xué)和光子學(xué)的交叉發(fā)展。
文獻(xiàn)信息
Wu, Q., Qian, J., Wang, Y. et al. Waveguide-integrated twisted bilayer graphene photodetectors. Nat Commun 15, 3688 (2024).

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