如今，电子和光子器件已经在智能手机、计算机、光源、传感器和通信设备等应用中无处不在。为了支撑光电子应用需求，各种功能材料必不可少。例如，逻辑计算和光子集成电路（PIC）需要硅；光电、发光和光电检测应用需要III-V族半导体材料（例如GaAs、InP等）；而压电材料（例如AlN、PZT等）则广泛应用于执行器和传感器。
用于光子范德华集成的独立2D和3D纳米膜
然而，采用单一材料平台实现所有需要的功能，将有助于多功能多用途光子和光电子系统的开发。因此，异质集成平台吸引了学术界和工业界的极大兴趣。据麦姆斯咨询报道，为了解决这一需求，美国圣路易斯华盛顿大学（Washington University in St. Louis）Sang-Hoon Bae教授领导的研究小组尝试将先进的材料外延和层转移技术用于新型光电应用。
功能材料和光学结构的异质集成，对于构建高性能集成光电子系统和研究纳米光子现象的理想平台至关重要。这方面的传统方案需要依赖异质外延，并且需要晶格匹配和工艺兼容性。当外延层和衬底之间的晶格常数相差超过几个百分点时，生长的薄膜可能会因多晶相而劣化或者只形成外延岛，从而大大降低光学材料的本征性能。
利用独立构建块的范德华（vdW）集成不受外延中应用的晶格匹配约束。这种低能量物理组装方法最初应用于2D材料，因为它在构建vdW异质结构方面具有很高的灵活性。先进2D材料辅助外延和层剥离技术的最新进展，为光子学工程师提供了许多单晶3D纳米膜，它们也可以像2D材料一样超薄、柔性且独立。因此，近来通过光子vdW集成在光学和光电子应用领域取得了令人兴奋的进展。
光子vdW集成应用的独立纳米膜前景
Sang-Hoon Bae教授及其合作研究团队近期在Nature Reviews Materials期刊上发表了一篇题为“Photonic van der Waals integration from 2D materials to 3D nanomembranes”的论文，介绍了从2D材料到3D纳米膜的光子vdW集成的最新进展。除了2D材料，研究人员还总结了目前可用的3D独立纳米膜，概述了从薄膜制备到器件实现的详细指引。
由于功能性3D纳米膜的可用材料库比2D材料的材料库广泛得多，因此，研究人员预见了vdW集成超越2D材料的新兴机遇：具有光学增益、压电、电光和磁光材料等典型功能的高质量3D薄膜，可以转移到光子结构中以制作新型器件及应用的原型。
在论文中，研究人员还概述了混合维vdW异质结构，基于新型异质集成布局的先进高性能光子器件，以及基于当前判断的柔性、生物兼容光电应用前景。研究人员还综述了薄膜光子学和光子vdW集成领域的可扩展纳米膜制造及转移等关键技术挑战。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41578-023-00558-w
延伸阅读：
《光学和射频应用的超构材料-2022版》
