Van der Waals-integratie maakt nieuwe hetero-geïntegreerde fotonische apparaten en flexibele optische toepassingen mogelijk

Tegenwoordig zijn elektronische en fotonische apparaten alomtegenwoordig in smartphones, computers, lichtbronnen, sensoren en communicatie. Om de vraag naar opto-elektronische toepassingen te ondersteunen, zijn functionele materialen essentieel. Silicium is bijvoorbeeld vereist voor logic computing en fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC); groep III-V halfgeleiders (zoals GaAs, InP, AlN, enz.) worden gebruikt voor opto-elektronische, lichtemitterende en fotodetectietoepassingen; en piëzo-elektrische materialen worden gebruikt voor actuatoren en sensoren.

De ontwikkeling van multifunctionele en veelzijdige fotonische en opto-elektronische systemen zou echter profiteren van de realisatie van alle vereiste functionaliteiten met behulp van een enkel materiaalplatform. Een heterogeen integratieplatform heeft dus enorme belangstelling gewekt van zowel de academische wereld als de industrie. Onze onderzoeksgroep (onder leiding van prof. Sang-Hoon Bae van de Washington University in St. Louis, WUSTL) trachtte aan deze behoefte tegemoet te komen door gebruik te maken van een geavanceerde materiaalepitaxie en laagoverdrachtstechniek voor nieuwe opto-elektronische toepassingen.

De heterogene integratie van functionele materialen en optische structuren is essentieel voor het bouwen van hoogwaardige geïntegreerde opto-elektronische systemen en een ideaal platform voor het onderzoeken van nanofotonische fenomenen. Conventionele benaderingen hiervoor zijn gebaseerd op heteropitaxie en vereisen beperkingen voor roosterafstemming en procescompatibiliteit. Wanneer de roosterconstante meer dan een paar procentpunten verschilt tussen de epilaag en het substraat, kunnen de aangegroeide films worden aangetast door de polykristallijne fase of worden er alleen epitaxiale eilanden gevormd, waardoor de intrinsieke prestatie van de optische materialen sterk achteruit gaat.

De integratie van van der Waals (vdW), waarbij gebruik wordt gemaakt van geïsoleerde vrijstaande bouwstenen, is echter vrij van de roosterovereenkomstbeperkingen die van toepassing zijn bij epitaxie. Deze energiezuinige fysieke assemblagemethode werd oorspronkelijk toegepast in tweedimensionale materialen vanwege de hoge flexibiliteit bij het construeren van vdW-heterostructuren (zie bovenstaande afbeelding). Recente ontwikkelingen op het gebied van geavanceerde 2D-materialen-geassisteerde epitaxie en laag-lift-off-technologieën hebben fotonische ingenieurs veel enkelkristallijne driedimensionale (3D) nanomembranen opgeleverd die ook ultradun, flexibel en vrijstaand kunnen worden gemaakt, zoals 2D-materialen. Er is dus opwindende recente vooruitgang geboekt in optische en opto-elektronische toepassingen door middel van fotonische vdW-integratie.

In ons recente artikel gepubliceerd in Natuur beoordelingen materialen, presenteerden we samen met prof. Cheng-Wei Qiu (National University of Singapore), prof. Lan Yang (WUSTL), prof. Jin-Wook Lee (Sungkyunkwan University), prof. Yang Yang (University of California, Los Angeles) en andere internationale medewerkers. Naast 2D-materialen hebben we ook de momenteel beschikbare 3D vrijstaande nanomembranen samengevat. Gedetailleerde richtlijnen van dunne-filmvoorbereidingen tot apparaatimplementaties worden ook geschetst.

Aangezien de beschikbare materiaalbibliotheek van functionele 3D-nanomembranen veel breder is dan die van 2D-materialen, zien we nieuwe kansen voor van der Waals-integratie voorbij 2D-materialen: hoogwaardige, 3D dunne films met voorbeeldige functionaliteiten zoals optische versterking, piëzo-elektrisch, elektro -optische en magneto-optische materialen, enz., kunnen worden overgebracht naar fotonische structuren om nieuwe apparaten en toepassingen te prototypen.

In dit artikel hebben we ook veelbelovende kansen geschetst voor gemengd-dimensionale vdW-heterostructuren, geavanceerde hoogwaardige fotonische apparaten op basis van nieuwe hetero-integratielay-outs en flexibele en bio-compatibele opto-elektronische toepassingen op basis van huidige perspectieven. We hebben ook de belangrijkste technologische uitdagingen besproken, zoals de productie en overdracht van schaalbare nanomembranen voor dunnefilmfotonica en fotonische vdW-integratie.

Dit verhaal is een onderdeel van Dialoogvenster Wetenschap Xwaar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over ScienceX Dialog en hoe u kunt deelnemen.