应变光电子：一种控制光子的新方法

研究人员发现了一种在硅光子平台上拉伸二维材料来制造光电器件的新方法。利用这一方法，由乔治华盛顿大学教授Volker Sorger领导的团队发明了应变光电技术，研究人员首次证明，包裹在纳米硅光子波导上的二维材料创造了一种新型的光电探测器，它可以在1550纳米的技术临界波长下高效工作。

这种新的光探测技术可以促进未来的通信和计算机系统，特别是在机器学习和人工神经网络等新兴领域。

现代社会不断增长的数据需求要求在光学领域更有效地转换数据信号，从光纤互联网到智能手机或笔记本电脑等电子设备。这种从光信号到电信号的转换过程是由光探测器完成的，光探测器是光网络中的一个关键组成部分。

上图示意是在硅光子电路上应变二维光电探测器结构

二维材料具有与光电探测器相关的科学技术性能。由于它们的强光吸收，设计一个基于二维材料的光电探测器将能够改进光转换，从而提高数据传输和通信的效率。然而，二维半导体材料，如过渡金属二卤化物家族的材料，由于其大的光学带隙和低的吸收率，目前还不能在电信波段有效地工作。

应变光电子技术为解决这一问题提供了一种新的方法，为研究人员提供了一种工程工具来改变二维材料的电学和光学特性，从而开创了基于二维材料的光电探测器。

研究人员意识到了应变光电技术的潜力，在硅光子波导上拉长了一层二维材料半导体碲化钼的超薄层，组装了一种新型的光电探测器。然后，他们使用新发明的应变光电“控制旋钮”改变其物理特性，以缩小电子带隙，使该装置在近红外波长下工作，即在1550纳米左右的电信（C波段）相关波长下工作。

研究人员注意到他们发现的一个有趣的方面：在给定的应变量下，这些半导体二维材料所能承受的应变量比体材料要高得多。他们还注意到，与其他使用石墨烯的光电探测器相比，这些新型的基于二维材料的光电探测器的灵敏度要高出1000倍。具有这种极端灵敏度的光电探测器不仅适用于数据通信应用，也适用于医学传感，甚至可能是量子信息系统。

“我们不仅找到了一种设计光电探测器的新方法，而且还发现了一种新的光电器件设计方法，我们称之为‘应变光电器件’。这些器件具有独特的光学数据通信特性和用于机器学习和人工智能的光子人工神经网络，”Volker Sorger说，他是乔治华盛顿大学电气与计算机工程副教授。

 “有趣的是，与散装材料不同，二维材料特别有希望成为应变结构的候选者，因为它们可以在断裂前承受更大的应变。在不久的将来，我们希望将应变动态地应用到许多其他二维材料中，以期找到优化光子器件的无限可能，”乔治华盛顿大学电气和计算机工程系博士后Rishi Maiti总结道。

原文链接：https://phys.org/news/2020-06-strainoptronics-photons.html