石墨烯光電子器件的應用研究進展

張魯一航

摘要：石墨烯從2004年被發現之后，因具備電學性能和光學性能的卓越特點備注矚目。而且人們還發現，石墨烯在電子領域中和硅基半導體工藝之間有著超高的兼容性，因此，在工業界和學術界受到了諸多學者的廣泛關注。這些陸續被研制出的以石墨烯為原料的光電子器件，在優異的性能上已經展現出優質的發展前景。本文重點分析了近年來，石墨烯在光調制器、超快脈沖激光器以及光探測器等領域的研究與進展，以及目前所面臨的挑戰和發展趨勢。

關鍵詞：石墨烯；光電子器件；應用研究與進展

概述

在硅基光電子技術的發展中，這個有望為人類未來實現超高徐寬帶數據通訊的化學載體，卻因為無法集約化、微型化等問題阻礙了它在傳輸領域和寬帶數據計算中的應用。而作為一種特殊的晶體薄膜材料，因為擁有者超高的熱導率、優異的機械性能以及極強的非線性光學特征，使得石墨烯在光電子器件和新型光學領域中有著得天獨厚的物理優勢。甚至是徹底改變了人們對于二維原子晶體材料的認知。因此，石墨烯也被學術界認定為是繼硅基半導體后具有劃時代意義的新型電子材料。

一、石墨烯的光學性能

研究表明，石墨烯具有良好的光學性能，相對于其他傳統半導體材料，石墨烯的透光率可高達97.7%，寬波段具備調節的光學性能，讓石墨烯可以迅速的進入光電子器件研究使用者的視野之中。目前所研制出的新型光電子器件愛工作光譜的寬范圍、熱損傷的高閾值等方面都有著不可忽視的優點，甚至在加工的過程中易于整合，制作簡單。2009年至2012年間，美國和西班牙等國家的課題組都在光電子器具的性能上，依據石墨烯做出了相應的研究成果。

石墨烯不僅是光調制器、超快脈沖激光器以及光探測器等表面等離子體基的研究基石，更是作為新時代納米光電子領域陣地研究的熱點。

（一）線性光學性質

石墨烯有著區別于傳統電子材料結構的一個最為顯著的特點，就是二維石墨烯布里淵區K點的能力和動量所形成的線性關系，可以使載流子的有效質量變為0。這種物理性性質依附于石墨烯自身具備的能帶關系。使得單層石墨烯有著很強的吸光率。在一定的能量關系中，其動量與電子能量呈現著線性管子，通過對石墨烯化學式的有效調節，可以使石墨烯的光學特性從“介質態”轉變為“金屬態”。

（二）非線性光學性質

石墨烯非線性光學性質產生的原因，一般是由于是石墨烯內碳原子的外層電子與射光所產生的電場發生磁共振，從而使石墨烯內部的電子云和原子核產生了相對位置的偏移和極化。

二、石墨烯光調制器

光學信號有著振幅、頻率、強度、相位和傳播方向的特征，而想要通過外界的各種能量形式來實現編碼光學信號等相關過程，光學調制器則成為了一種改變光的特征參數的有力武器。光可以通過材料的折射率來進行變化的預測，因此，光學調制的過程和方式也有很多，比如聲光調制、熱光調制以及電光調試等。在以上的三種調試方法中，因為帶寬高、速度快等多方面的優點，常被用于目前的研究中。電光調試簡單的來說，就是外加電磁場對材料折射率虛部和實部所產生的影響變化。石墨烯的出現也一定程度上解決了傳統光調制器由于工作帶寬窄而限制大數據傳輸的弊端。

三、石墨烯光探測器

由于石墨烯具有超快的載流子遷移率和寬帶光吸收以及零帶隙結構的優異特點，被光探測器中作為活性層而靈活的使用，這種超越了其他的半導體探測器的化學物質，讓它在寬帶高速光探測領域中發揮著極大的作用。在對石墨烯光探測器的性能嘗試中，經過研究人員的多方努力，其中一種研究取得了十分突出的成果。利用納米結構表面等離子效應將光能轉化為的等離子共振，從而促進石墨烯內部光生載流子起到更大的作用。這種研究成果的取得有效的提高了器件的光電探測的速率，更通過對納米結構的改變，實現了對特定坡長入射光信號的選擇性響應。

結語

通過對石墨烯等離子特性的相關利用，可以制造出多種有源和無源的光電子器具，與此同時，這一新興的材料也收到了工業界研究人員的關注，越來越多的相關行業研究者看是在軍事、通訊等多方面注重對石墨烯的探索和研究。它所具備的優異的光學特性，通過復合和集成，全方位的提高了以硅基為主的半導體器件的綜合性能。但在實現石墨烯光電子器件的商用化應用中還有許多科學性的問題需要解決。未來石墨烯光電子器具的應用和發展中，還有很多路需要走。

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