二硫化鎢制世界上最薄光波導

近日,加州大學聖地牙哥分校(UCSD)的科學家們通過二硫化鎢研製出目前世界上最薄的光學器件——僅三層原子厚大小的波導。相關成果發表在8月12日的《自然•納米技術》雜誌上。

研究人員Chawina De-Eknamkul 在打造原子厚度的波導

光波導(optical waveguide),是資料通信系統技術的重要組成部分,是引導光波在其中傳播的介質裝置。光波導的傳輸原理不同於金屬封閉波導,在不同折射率的介質分介面上,電磁波的全反射現象使光波局限在波導及其周圍有限區域內傳播。常見應用於通信系統或者感測器的光纖。

加州大學聖地牙哥分校的這款新型波導,厚度約為 6 埃米(1 埃米=0.1納米),比典型光纖薄 1 萬倍,比集成光子電路中的片上光波導薄約 500 倍。波導由懸浮在矽框架上的二硫化鎢單層(兩層硫原子中間夾一層鎢原子)組成,單層由一系列納米孔圖案形成光子晶體。

波導結構的掃描電子顯微鏡圖像:懸掛的二硫化鎢單層刻有納米孔

這種單層晶體的特殊之處在於,其在室溫下可支援被稱為激子的電子—空穴對。這些激子產生強烈的光學響應,使晶體的折射率大約是圍繞其表面的空氣折射率的 4 倍。相比之下,具有相同厚度的另一種材料不具備如此高的折射率。當光線通過晶體傳播時,它會被內部捕獲並通過全內反射沿著平面傳導。這是光波導如何工作的基本機制。

該波導的另一個特徵是可在可見光譜中傳導光。蝕刻到晶體中的納米孔允許一些光垂直於平面散射,從而得以觀察和探測。這個孔陣列產生的週期性結構,使晶體還能作為諧振器。該系統不僅可以共振地增強光物質相互作用,還可作為二階光柵耦合器將光耦合到光波導中。

二硫化鎢制世界上最薄光波導

研究人員使用先進的微觀和納米製造技術來製造波導,首先構建波導的基板——由矽框架支撐的薄氮化矽膜。將納米尺寸的孔陣列圖案化到膜中以產生範本,再將單層二硫化鎢晶體衝壓到膜上。然後通過膜將離子送入晶體中蝕刻相同的孔圖案,最後輕輕地蝕刻掉氮化矽膜,使晶體懸浮在矽框架上。結果就生成了一個光波導,其核心是由圍繞著一種較低折射率材料(空氣)的二硫化鎢單層光子晶體組成。

此項研究成果可將現有光學器件的尺寸縮小幾個數量級,或帶來更高密度、更高容量的光子晶片。

 

 

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