科學家開發(fā)出石墨烯-硅光電混合芯片
2012-07-18
據(jù)物理學家組織網7月16日(北京時間)報道，美國哥倫比亞大學一項新研究證明石墨烯具有卓越的非線性光學性能，并據(jù)此開發(fā)出一種石墨烯-硅光電混合芯片。這種硅與石墨烯的結合，讓人們離超低功耗光通信近了一步，讓該技術在光互連以及低功率光子集成電路領域具有廣泛的應用價值。相關論文發(fā)表在《自然·光學》雜志網站上。
該研究團隊由哥倫比亞大學的工程師和新加坡微電子研究所的研究人員組成。他們通過放置一個碳原子厚度的石墨烯薄片，成功將不發(fā)生光電或電光轉換的無源器件，轉化成為一個可發(fā)射微波光子信號、對波長進行轉換的有源器件。
新器件所具備的非線性光學性能能改變系統(tǒng)參數(shù)(如透射比和波長轉換)和輸入功率水平。團隊還發(fā)現(xiàn)，在這種由光驅動的混合芯片上存在電子和熱響應，能發(fā)射出無線電信號，并可通過激光進行調制。在使用不同光學頻率對無線電信號進行調制后，石墨烯-硅混合芯片能夠產生完美的無線電諧振，且其所需功率比其他科學家用純硅電路實現(xiàn)的低50倍。
研究人員稱，他們通過將兩種電磁場的混合產生了一個新的光頻，使用其傳輸信號時所需能源遠低于純硅電路，并在實驗中發(fā)現(xiàn)了四波混頻現(xiàn)象。這使這種混合結構可成為處理大量光學信號的平臺。而直到不久前，使用石墨烯的類似應用還只停留在微米尺度的芯片上，極大限制了這種材料性能的發(fā)揮。
領導該研究的哥倫比亞大學機械工程學教授黃志偉(音)表示，石墨烯扮演了重要的角色，極大地提高了原有組件的非線性光學性能，使其具備了數(shù)字開關切換功能和存儲能力。參與研究的顧婷怡(音)稱：“我們已經能夠對石墨烯的非線性性能做出證明和解釋，這種石墨烯-硅混合芯片在實驗中表現(xiàn)出了卓越的性能，未來或將成為構建速度更快、效率更高的現(xiàn)代電信組件的基礎。”
哥倫比亞大學副教授詹姆斯·霍恩表示，目前石墨烯大面積、大批量的合成和生產已經成為了現(xiàn)實，為此類新型芯片的生產提供了基礎。而物理和應用物理學教授飛利浦·金認為，此次的出色工作表明，當石墨烯與硅結合后是一種獨特的光電材料，其具備的超快非線性光學調制性能，將為超快芯片、高速光通信等許多新穎的應用打開大門。(記者王小龍)
總編輯圈點
自從英國科學家用“膠帶法”獲得石墨烯以來，這種高強度、高導電性的材料一直被人們寄予厚望。但無論是基于石墨烯的光子感應器還是計算機，其制造和應用前提是對石墨烯基本性質的更深入了解。美國科學家的新發(fā)現(xiàn)為我們揭示了一條深入了解物質特性的新路子：石墨烯大規(guī)模生產能力使新型光電器件制造成為可能，而新型光電器件反過來又幫助人們深入理解這種神奇材料的特性，進而促進對石墨烯的應用。
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