2、今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。半导体公司通常是指借助顶尖团队和丰富的模拟射频、微波、毫米波和光子半导体产品，帮助通信基础设施公司解决网络容量、信号覆盖、能源效率和现场可靠性等领域内的复杂挑战。例如Macom。
MACOM是世界领先通信基础设施的首选合作伙伴，MACOM是半导体行业的支柱型企业，在60多年的蓬勃发展历程中，敢于采用大胆的技术手段，为客户提供真正的竞争优势并为投资者带来卓越的价值。
MACOM通过为光学、无线和卫星网络提供突破性半导体技术，来满足社会对信息，从而实现全面连通且更加安全的世界。如今，MACOM推动着各种基础设施的建设，让人们在生活中每时每刻都能方便地沟通、交易、旅行、获取信息和参与娱乐活动。MACOM技术提高了移动互联网的速度和覆盖率，让光纤网络得以向企业、家庭和数据中心传输以往无法想象的巨大通信量。
麻省理工学院和新加坡理工大学科学家展示了一种由非晶态碳化硅制成的微型环形谐振器，该谐振器具有迄今为止最高的品质因数，该谐振器有望在1550纳米红外通信波长下作为芯片上的光子光源。普通日光通过一扇窗户时不会发生变化，这一过程被称为线性透射，但同样的光线通过棱镜时，会分裂成彩虹般的颜色。类似地，在光子器件中
来自激光的红外光可以以线性方式通过而不改变其“颜色”。但在高强度下，光可以表现出非线性行为，产生额外的颜色或波长。例如，与光子器件耦合的单个黄色激光器可以产生蓝色、绿色、黄色或橙色。麻省理工学院材料研究实验室研究科学家Anuradha M. Agarwal领导的研究人员制造了非晶态碳化硅环形谐振器，由副教授Dawn T.H. Tan领导的SUTD研究人员分析了该设备的线性和非线性特性。
能够在任何碳化硅衬底上显示出比以前测量到，非线性效应高一个数量级的效果。SUTD光子学设备和系统小组的负责人谭说：品质因数是衡量谐振器产生非线性效应的强度，质量因素越大，非线性效应越好，所以在这个案例中，质量因素非常好，实际上，这比我们预期的要好得多。阿加瓦尔、谭、麻省理工学院材料科学与工程研究生马丹豪以及其他三位来自新加坡和马来西亚的科学家在《ACS Photonics》上发表了这一研究发现。
需要高强度的光来触发光子器件非线性特性，这可以通过提高激光器的功率或使用环形谐振器等器件来实现。环的强度之所以如此之高，是因为它能在很长一段时间内捕获光子。越来越多的光子形成渐强，这就允许对非线性光学特性进行评估。就像光缆一样，非晶态碳化硅环形谐振器和用于传输红外光的直线波导被一层氧化硅所包围，从而最大限度地减少了可以逃逸的光量。不同材料的折射率决定了它们作为载流子层和保护层一起工作的好坏。
研究正试图在芯片上制造这种光纤波导，所以它就像一根光纤，但在芯片上，因此需要的是一个高折射率核心和一个低折射率包层，碳化硅和氧化硅的折射率相差很大，因此它们可以很好地一起工作，就像波导的核心和包层一样。研究人员采用等离子体增强化学(PECVD)工艺沉积碳化硅，在与互补金属氧化物半导体(CMOS)硅片加工相容的温度下，开发了一种耦合到直波导上的碳化硅环形谐振器的模式和蚀刻方法，实现了本研究的记录质量因子。
麻省理工学院的研究生马克服了几个处理方面挑战，制造出了高质量的谐振器。大约三年前，当Ma开始研究碳化硅材料来进行这项研究时，还没有现成的方法，来研究如何在沉积在二氧化硅衬底上的非晶态碳化硅材料上蚀刻图案。碳化硅是一种非常坚硬、物理和化学上都很硬的材料，所以，换句话说，它很难被去除或蚀刻。为了在氧化硅上沉积和蚀刻碳化硅波导，Ma首先利用电子束光刻技术对波导进行刻划，并采用反应离子干蚀刻技术去除过量的碳化硅。
但首次尝试使用一种典型的聚合物基掩模并没有成功，因为这种方法去除的掩模比碳化硅还要多。然后尝试了一种金属掩模，但晶界从掩模转移到碳化硅，在波导中留下粗糙的侧壁。粗糙度是不可取的，因为它增加了光子散射和光损耗。为了解决这一问题，Ma开发了一种基于二氧化硅掩膜的反应离子蚀刻技术。在研发过程中，马与麻省理工学院博士后杜庆阳以及麻省理工学院电子研究实验室纳米结构实验室助理主任马克·k·蒙多尔密切合作。
最终在这个反应中找到了正确的化学反应类型，控制了气体流动和等离子体，或者说控制了加工配方的细节。与二氧化硅相比，这种方法在蚀刻碳化硅方面是有选择性的，这使得我们能够塑造碳化硅光子器件，并拥有光滑的波导侧壁，光滑侧壁对于维持光子器件中的光信号至关重要。这些谐振腔光损耗主要来源是环形材料中光子的吸收和/或环形器件边缘粗糙度引起的光子散射。
研究处理产生了光滑的侧壁，这使得低损耗和高Q(质量)因数谐振器成为可能。这种碳化硅材料的美妙之处在于，本研究中使用的技术是，碳化硅的PECVD工艺是一种廉价工艺，是硅微电子行业的标准，研究重点是集成光子学材料设计和工程。利用现有微电子工艺，将使碳化硅更容易应用于集成光子和集成电子平台。使用的PECVD和反应性干离子蚀刻工艺不需要硅外延生长的晶格匹配和其他关键要求，而且与衬底无关。
谭教授多年来一直在研究氮化硅材料和其他CMOS材料的非线性特性。对于(非晶态)碳化硅，与超富硅氮化硅相比，作为谐振器铸造时的增强效果更好，而且它的非线性折射率也比化学计量氮化硅高，后者在非线性光学领域非常丰富。在这些器件中，通常存在两种光子吸收和三种光子吸收。在本研究中，损耗主要由三光子吸收控制，这是一个相对较弱的非线性损耗机制，而双光子吸收，这可能是一个问题，在许多晶体硅和非晶态硅材料，抑制。
阿加瓦尔的团队之前致力于在恶劣环境下使用碳化硅传感器。在目前的工作中，新加坡研究小组测量了环形谐振器中产生的额外波长——这种现象被称为光谱展宽，可以用一个叫做克尔非线性的术语来量化。研究人员发现，碳化硅薄膜的克尔非线性，几乎是之前报道晶体和非晶碳化硅薄膜的10倍。有了这种技术，可以看到光谱展宽效应，可以利用这种效应，因为现在不再只有一个频率，而是产生几个其他频率，这些频率可以提供一个超级连续光源。
澳大利亚斯文本理工大学微光子学中心主任、研究光子材料的fessor David J. Moss说：这篇论文为非晶态碳化硅提供了新的研究结果，它是非线性光学领域极有前途的cmos兼容平台，尤其是在重要的通信窗口。与晶体硅相当的高克尔非线性，以及可以忽略不计的双光子吸收，以及(碳化硅的)Q因子环谐振器的创纪录高，都是对1550纳米非线性光学平台的不断 探索 中令人兴奋的进展。
意大利米兰理工大学光子学设备小组的负责人安德里亚·梅罗尼副教授说：PECVD沉积的非晶态碳化硅(SiC)引起了人们极大的兴趣。折射率是非常吸引人的(2.45不是一个普通的值)，因为它足够高，可以大规模集成，但不像硅那么高，因此最小化了与SOI(绝缘体上硅)结构的超高折射率对比度相关问题。展望未来，Ma希望制造出更厚的碳化硅波导，用于更广泛的应用——例如，在单个波导中创造更多的波长(复用)。
作为合作研究的第一次展示，这是一个非常有前景的平台，如果能继续改进平台和设备设计，可能能够展示非常好的谐振器增强，因为已经展示了非常好的质量因素。如果想做像频率梳或光学参量振荡器这样的东西，如果质量因素很大，阈值功率就会小得多。如果这项工作可以联合资助，那么就可以考虑制造一种集成光源、传感器和探测器，因此在这方面有很多令人兴奋的下一步。
近日，来自澳大利亚墨尔本大学的研究人员在Nanophotonics上以 Nanowires for 2D material-based photonic and optoelectronic devices 为题发表综述文章，系统综述了近年来各种纳米线在光电子学和光电子学中的应用，以及纳米线与二维材料的结合。这篇综述文章介绍了纳米线作为谐振器或/和波导，以提高光子集成电路中用于光增强和引导的二维材料的性能。此外，本文还介绍了在光电子领域研究的纳米线和二维材料的混合。本文综述了纳米线与二维材料在光电子学和光电子学中的杂交，并对未来的研究进行了展望。
图1. 二维材料和纳米线耦合的示意图
图源：Advanced Materials 33, 2101589 (2021).
几十年来，光与物质相互作用的研究越来越受欢迎。最近的重点是提高光与物质相互作用的强度，以实现紧凑的集成光子电路、高效的光子器件和多功能光电子系统。二维材料是现代科学中研究最活跃的材料之一。使用二维材料进行研究有很多优点。例如，二维材料提供了良好的机械性能，例如高度可弯曲和可拉伸，而不会造成损坏。此外，通过简单地使用胶带从大块晶体中剥离二维材料，可以轻松创建原子级光滑、单层或几层样品，这增加了实验室研究中二维材料的使用。通过剥离方法，二维材料可以转移或堆叠到任何材料上，而无需考虑晶格失配问题。到目前为止，研究人员已经确定了一个二维材料库，其特性从金属到绝缘体不等，这些材料有时表现出独特的特性，如高导电性、高非线性或依赖谷值的电/光响应。
纳米线与二维材料的杂交使二维材料能够更好地作为光子和电子器件发挥作用。纳米线可以由金属、半导体或绝缘体制成。金属纳米线用途广泛，因为它们既可以用作电极，也可以用作光子元件。银因其高透射率、低电阻和高柔韧性而经常被用作电极材料。通过加入MXene、石墨烯或氧化石墨烯等二维材料，可以解决阻碍其实际使用的一些瓶颈问题。例如，二维导电层连接纳米线并使表面光滑，从而降低电阻。此外，二维绝缘材料保护金属纳米线免受氧化。这些异质结构可以是图1所示的各种配置。除电极外，金属纳米线还起到波导、开放纳米腔和控制发光性能的作用。随着半导体制造技术的进步，半导体纳米线被广泛应用，并作为集成光子电路的平台发挥着重要作用。半导体纳米线的一个显著优势是，它与互补金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容，同时还提供了先进的电气和光学功能。当这些纳米线以核壳或纳米线的形式与单层结构上的二维材料结合时，预计会产生协同效应。
图2. 将金属纳米线与二维材料结合用于柔性透明电极
图源：Advanced Materials 33, 2101589 (2021).
柔性和透明电极适用于各种应用，并有望在光电子学中广泛使用。这种电极已用于柔性有机发光二极管（Folders）、太阳能电池和许多其他光电应用。金属纳米线因其高透射率和低片电阻而对柔性透明电极（FTE）的开发特别有吸引力。传统上，氧化铟锡（ITO）是一种广泛采用的柔性透明电极材料。ITO具有高导电性，同时在可见光波长下透明。然而，使用ITO有几个缺点，包括机械稳定性差，弯曲基板时由于裂纹导致电阻增加。此外，铟是地壳中稀缺的原材料，因此需要使用替代材料。金属纳米线因其优异的光学和电学性能而成为很有前途的候选者。它们展示了诱人的特性，有望在商业应用中取代ITO。这是因为纳米结构增加了d性，同时保持了良好的导电性和光学透明度，因此它们对弯曲和折叠裂纹具有d性。
然而，金属纳米线仍然存在一些固有的缺点，包括表面粗糙度高，与基底的附着力低，纳米线界面之间的不连续结构，以及快速降解。这些问题可以通过添加额外的材料来克服，即创建一个混合系统。这些混合系统由二维材料组成，其特性适用于克服这些问题。例如，MXene是一种二维材料，由过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物组成，经常用于缓解问题。MXene因其高导电性和大表面积等特点，在传感器和透明电极领域被广泛 探索 。石墨烯由于其独特的电学和光学性质，也是这方面很有前途的二维材料之一。
图3. 纳米线与二维材料耦合以增强光与物质相互作用
图源：Advanced Materials 33, 2101589 (2021).
同样，石墨烯也被用于改善混合系统中电极的导电性。已经有研究工作实验实现了由银纳米线和电化学剥离石墨烯（EG）组成的透明电极。详细地说，首先将含有银纳米线的溶液喷涂到柔性基底上，即聚萘二甲酸乙二醇酯，然后进行电化学剥离石墨烯分散。研究人员比较了不同体积的带有电化学剥离石墨烯层的银纳米线与原始银纳米线的薄片电阻和透射率。此外，为了长期稳定性，样品在空气中暴露120天。在此期间，混合材料的薄片电阻保持不变，而原始样品的薄片电阻在暴露10天后增加。研究报告说，通过部署电化学剥离石墨烯层，他们能够在不显著降低透射率的情况下降低薄片电阻，同时将粗糙度分别从78Ω/sq降低到13.7Ω/sq，从16.4 nm降低到4.6 nm。由于分散层使Ag-纳米线结和孔的表面变平，因此EG涂层降低了薄板电阻和粗糙度。本文进一步展示了该电极作为阳极在有机太阳能电池和聚合物LED中的应用。
二维材料不仅可以降低表面粗糙度，而且可以作为保护层防止金属纳米线氧化。银纳米线是钙钛矿太阳能电池（PVSC）最常用的底部电极金属线之一，由于钙钛矿层中卤化物的释放而导致腐蚀问题。最近有研究人员提出采用大尺寸氧化石墨烯（LGO）片作为银纳米线透明电极的保护层。作为保护层的大尺寸氧化石墨烯片对于减少整体边界面积至关重要，因为片之间的边界允许卤化物物种进入。在这项工作中，采用离心法分离不同尺寸的氧化石墨烯板。将减少的大尺寸氧化石墨烯分散液滴在Ag-纳米线电极上，并使用稳定的热风流进行干燥。电极保持其初始电阻超过45小时，而原始样品在0.8 V偏压下10小时后电阻呈指数增长。本研究证明了构建高稳定性PVSC的可能性。
通过增加发光二维材料的自发辐射率，可以产生更亮的光源。有腔和无腔的自发辐射率速率之比称为Purcell因子，它与Q因子成正比，与光模体积成反比。已经有很多方法可以实现高的光致发光强度，这可以通过纳米线与过渡金属二硫化物的杂交来实现。利用纳米线也是解决光学各向异性的常用方法。通过调整纳米结构的形态，可以控制共振频率和质量因子。随着二维 过渡金属二硫化物与等离子体或光学纳米线的结合，光的有效控制和增强可以应用于实际。
图4. 将半导体纳米线与二维材料结合可用于高性能光探测器
图源：Advanced Materials 33, 2101589 (2021).
总结与展望
如前所述，本文介绍了贵金属纳米线、半导体纳米线和钙钛矿纳米线，以及它们在传统应用、集成光子电路、光增强、路径控制和光电子学中的最新应用。此外，在综述中还介绍了通过加入过渡金属二硫化物层、石墨烯和氧化石墨烯等二维材料而取得的显著改进。研究表明，对这些二维材料的结构特征进行优化至关重要，比如尺寸或纳米线之间的距离。因此，对优化这些特性进行深入研究是有希望的。
本综述回顾了用于基于二维材料的光子和光电子器件的纳米线。纳米线在光子集成电路中具有作为谐振器和波导的潜在用途。介绍了利用纳米线的特性以及纳米线与二维材料的混合。不同类型的纳米线和二维材料的特性和用途有望为 探索 新的杂交材料提供新的视角，并最终改变现有设计，提高性能。
然而，文章认为，这些耦合仍然有一些缺点需要克服。例如，由于它们是纳米材料的混合，因此应该研究简便的合成方法。复杂的合成方法可能导致产率低、耗时且成本相对较高。此外，它们的长期稳定性仍需研究。高湿度、极高或极低的工作温度等恶劣环境可能会导致性能不佳。因此，提高它们的重复性、再现性，并在恶劣环境中对其性能进行试验，对未来的发展至关重要。此外，目前正在努力提高这些材料的性能。例如，已经有研究人员开发了一种用于超灵敏光电探测器的钙钛矿纳米线结晶度增加的制造方法。同样，未来的应用预计将通过提高材料的结晶度和研究设备的最佳布局来实现可扩展和集成的系统，从而提高结果。
参考文献：
XSoumyabrata Roy, Xiang Zhang, Anand B. Puthirath et al. , Structure, Properties and Applications of Two-Dimensional Hexagonal Boron Nitride. Advanced Materials 33 , 2101589 (2021).
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