二维人工微结构增强光电子器件

MEMS 2024-08-08 00:02

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在过去几十年中，随着信息和通信技术的迅速发展，对更高性能、更紧凑和更节能光子和光电子设备的需求日益增加。这一需求推动了二维人工微结构（2D AM）的兴起和快速发展，这些结构包括超晶格、异质结构、超构表面和微腔等。这些结构能够通过调节亚波长结构和集成功能性材料，有效地操控光场和光学性能，为光子学和光电子学领域带来了新的可能性。

二维人工微结构是利用其特殊的结构和性质，例如超构表面的亚波长调控能力和异质结构的新物理特性，来增强光与物质之间的相互作用。这些技术不仅能够提升光子器件的性能，还能在光电子器件中实现更高的集成度和功能性。

然而，尽管二维人工微结构在理论上展示出巨大潜力，但实际应用中仍然存在一些挑战。其中包括复杂的制造工艺、高损耗、强色散以及光学和电子性能之间的优化平衡。此外，如何在实际设备中有效地集成这些结构，以及如何利用外部刺激（如电场或光场）进一步调控其性能，也是当前研究面临的问题。

据麦姆斯咨询报道，近日，南京航空航天大学张玲珑副研究员以“Enhancing 2D Photonics and Optoelectronics with Artificial Microstructures”为题在Advanced Science期刊上发表了最新综述论文。

这项研究首先总结了最新的二维人工微结构器件的突破和应用，典型二维人工微结构器件研究的时间轴如图1所示。

图1 典型二维人工微结构器件研究的时间轴

随后，该研究详述阐述了二维人工微结构在电子器件（如图2）、光子器件（如图3）和光电子器件（如图4）中的最新进展。通过总结发现，利用二维人工微结构实现了高效控制光场的目标。引入超构表面、超晶格、异质结构和微腔等亚波长结构，开创了光子和光电子系统中的新应用领域。

图2 二维人工微结构在电子器件的部分应用

图3 二维人工微结构在光子器件的部分应用

图4 二维人工微结构在光电子器件的部分应用

该研究不仅深入探讨了这些器件在改善光学和电子性能方面的具体方法，还详细介绍了它们在实际集成中的应用案例和挑战（如图5所示）。通过系统地分析和总结，为未来二维人工微结构在光子学和光电子学中的发展提供了清晰的方向和思路。

图5 二维人工微结构片上集成应用

面对日益复杂的光电子系统集成需求，需要更加精细化和高效的二维人工微结构设计和制造技术。进一步研究外部刺激对光电子性能的影响，以实现更高效的光子和光电子器件。深入探索二维材料与传统光电子元件的结合方式，推动光电子系统的功能多样化和性能优化。

这篇综述为二维人工微结构在光子学和光电子学领域的进展提供了深远的价值。通过对异质结构、超晶格、超构表面和微腔等多种二维人工微结构器件的详细探讨，揭示了如何通过精确调控光子和电子的相互作用来实现优化的器件性能。这些进展不仅推动了器件尺寸的极限缩小和功耗的显著降低，还为光子学和光电子学的应用提供了新的技术路线和解决方案。

该研究强调了通过二维人工微结构实现的高效电子和光学性能调控，为设计和开发新型光电子器件提供了理论基础和实验依据。尤其是在面对电子器件中的高迁移率、高开关比和低功耗等优势时，二维人工微结构展现出了独特的潜力。同时，光探测器领域的进展显示出对高响应性、超薄和高吸收率光探测器的不断探索，为实现更广泛的光电应用打开了新的可能性。

此外，该研究还深入分析了二维人工微结构器件在柔性电子学和集成电路中的前景，特别是在与硅的结合应用中展示了其优势。通过利用二维材料的独特属性与传统硅基技术的优势相结合，可以有效提升器件的性能和制造效率，推动这些技术的商业化和大规模应用。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202403176

延伸阅读：
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《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》

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