Heute sind elektronische und photonische Geräte in Smartphones, Computern, Lichtquellen, Sensoren und Kommunikationsmitteln allgegenwärtig. Um die Nachfrage nach optoelektronischen Anwendungen zu untermauern, sind funktionelle Materialien unerlässlich. Zum Beispiel wird Silizium für logisches Rechnen und photonische integrierte Schaltungen (PIC) benötigt; Halbleiter der Gruppe III-V (wie GaAs, InP, AlN usw.) werden für optoelektronische, lichtemittierende und Photodetektionsanwendungen verwendet; und piezoelektrische Materialien werden für Aktoren und Sensoren verwendet.
Die Entwicklung multifunktionaler und vielseitiger photonischer und optoelektronischer Systeme würde jedoch von der Realisierung aller erforderlichen Funktionalitäten unter Verwendung einer einzigen Materialplattform profitieren. Eine heterogene Integrationsplattform hat daher ein enormes Interesse von Wissenschaft und Industrie geweckt. Unsere Forschungsgruppe (unter der Leitung von Prof. Sang-Hoon Bae von der Washington University in St. Louis, WUSTL) versuchte, diesen Bedarf zu decken, indem sie eine fortschrittliche Materialepitaxie und Schichttransfertechnik für neuartige optoelektronische Anwendungen einsetzte.
Die heterogene Integration von funktionellen Materialien und optischen Strukturen ist für den Aufbau leistungsstarker integrierter optoelektronischer Systeme unerlässlich und eine ideale Plattform zur Untersuchung nanophotonischer Phänomene. Herkömmliche Ansätze hierfür beruhen auf Heteroepitaxie und erfordern Gitteranpassungs- und Prozesskompatibilitätseinschränkungen. Wenn sich die Gitterkonstante zwischen der Epischicht und dem Substrat um mehr als ein paar Prozentpunkte unterscheidet, können die gewachsenen Filme durch die polykristalline Phase verschlechtert werden oder es werden nur epitaxiale Inseln gebildet, was die intrinsische Leistung der optischen Materialien stark verschlechtert.
Die Van-der-Waals-(vdW)-Integration, die isolierte freistehende Bausteine nutzt, ist jedoch frei von Gitteranpassungsbeschränkungen, die in der Epitaxie gelten. Diese energiearme physikalische Montagemethode wurde ursprünglich aufgrund ihrer hohen Flexibilität beim Aufbau von vdW-Heterostrukturen in zweidimensionalen Materialien angewendet (siehe Abbildung oben). Jüngste Fortschritte bei fortschrittlichen 2D-Material-unterstützten Epitaxie- und Layer-Lift-Off-Technologien haben Photonik-Ingenieuren viele einkristalline dreidimensionale (3D) Nanomembranen zur Verfügung gestellt, die auch so hergestellt werden können, dass sie ultradünn, flexibel und freistehend sind, wie 2D-Materialien. Daher gab es in letzter Zeit aufregende Fortschritte bei optischen und optoelektronischen Anwendungen durch photonische vdW-Integration.
In unserem kürzlich veröffentlichten Artikel in Nature Reviews Materialienpräsentierten wir zusammen mit Prof. Cheng-Wei Qiu (National University of Singapore), Prof. Lan Yang (WUSTL), Prof. Jin-Wook Lee einen umfassenden Katalog zu den neuesten Fortschritten bei der photonischen vdW-Integration von 2D-Materialien zu 3D-Nanomembranen (Sungkyunkwan University), Prof. Yang Yang (University of California, Los Angeles) und anderen internationalen Mitarbeitern. Neben 2D-Materialien haben wir auch derzeit verfügbare freistehende 3D-Nanomembranen zusammengefasst. Detaillierte Richtlinien von der Dünnschichtvorbereitung bis hin zur Geräteimplementierung werden ebenfalls skizziert.
Da die verfügbare Materialbibliothek funktioneller 3D-Nanomembranen viel breiter ist als die von 2D-Materialien, sehen wir daher neue Möglichkeiten der Van-der-Waals-Integration über 2D-Materialien hinaus: Hochwertige 3D-Dünnfilme mit beispielhaften Funktionalitäten wie optische Verstärkung, Piezoelektrik, Elektro -optische und magneto-optische Materialien usw. können auf photonische Strukturen übertragen werden, um Prototypen für neuartige Geräte und Anwendungen zu erstellen.
In diesem Papier haben wir auch vielversprechende Möglichkeiten für gemischtdimensionale vdW-Heterostrukturen, fortschrittliche photonische Hochleistungsgeräte auf der Grundlage neuartiger Heterointegrationslayouts und flexible und biokompatible optoelektronische Anwendungen auf der Grundlage aktueller Perspektiven skizziert. Wir haben auch wichtige technologische Herausforderungen wie die skalierbare Herstellung und Übertragung von Nanomembranen für den Bereich der Dünnschichtphotonik und der photonischen vdW-Integration überprüft.
Diese Geschichte ist ein Teil von Wissenschaft X Dialogwo Forscher Ergebnisse aus ihren veröffentlichten Forschungsartikeln melden können. Besuchen Sie diese Seite für Informationen zum ScienceX Dialog und zur Teilnahme.
Mehr Informationen:
Yuan Meng et al., Photonische Van-der-Waals-Integration von 2D-Materialien zu 3D-Nanomembranen, Nature Reviews Materialien (2023). DOI: 10.1038/s41578-023-00558-w
Hyunseok Kim et al, Remote-Epitaxie, Nature Reviews Methods Primers (2022). DOI: 10.1038/s43586-022-00122-w
Yuan Liu et al, Van der Waals-Integration vor und über zweidimensionale Materialien hinaus, Natur (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1013-x
Dr. Yuan Meng ist Postdoctoral Research Associate am Department of Mechanical Engineering and Materials Science der Washington University in St. Louis, USA. Dr. Sang-Hoon Bae ist Assistant Professor am Department of Mechanical Engineering and Materials Science der Washington University in St. Louis, USA.