“人造石墨烯”有望打開激光器應(yīng)用大門

【摘要】荷蘭盧森堡烏得勒支大學(xué)、德國(guó)馬普學(xué)會(huì)的研究人員對(duì)傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的納米晶體進(jìn)行了“人造石墨”的理論研究，他們認(rèn)為人造石墨有潛力應(yīng)用于激光器、LEDs、光伏以及電子設(shè)備。
 
　　研究人員研究了晶格周期小于10nm的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其具有傳統(tǒng)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特性，研究的半導(dǎo)體包括巖鹽鉛硫族化合物和閃鋅礦鎘硫化合物。

　　研究人員稱膠體組裝取得的進(jìn)步可以實(shí)現(xiàn)人工石墨烯的制造。

　　在傳統(tǒng)石墨烯中，碳原子形成一個(gè)二維六角點(diǎn)陣(左)，在人造石墨烯中，半導(dǎo)體納米晶體形成晶格點(diǎn)(右)，在這種特殊情況下，每個(gè)納米晶體具有14個(gè)正方形和8個(gè)三角形的特殊形狀。

　　世界首臺(tái)商用石墨烯飛秒光纖激光器誕生國(guó)內(nèi)
　　日前，泰州巨納新能源有限公司研制的商用石墨烯飛秒光纖激光器（Fiphene）問世，這也是全球首臺(tái)商用石墨烯飛秒光纖激光器。同時(shí)，該激光器還創(chuàng)造了脈沖寬度最短（105fs）和峰值功率最高（70kW）兩項(xiàng)石墨烯飛秒光纖激光器世界紀(jì)錄。
　　飛秒光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，包括激光成像、全息光譜及超快光子學(xué)等科研應(yīng)用，以及激光材料精細(xì)加工、激光醫(yī)療（如眼科手術(shù)）、激光雷達(dá)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的飛秒光纖激光器核心器件——半導(dǎo)體飽和吸收鏡（SESAM）采用半導(dǎo)體生長(zhǎng)工藝制備，成本很高，且技術(shù)由國(guó)外壟斷。
　　在飛秒光纖激光器領(lǐng)域，石墨烯被認(rèn)為是取代SESAM的最佳材料。2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者撰文預(yù)測(cè)石墨烯飛秒光纖激光器有望在2018年左右產(chǎn)業(yè)化。要實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化，需要解決高質(zhì)量石墨烯制備、大規(guī)模低成本石墨烯轉(zhuǎn)移、石墨烯與光場(chǎng)強(qiáng)相互作用、石墨烯飽和吸收體封裝以及激光功率穩(wěn)定控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)。泰州巨納新能源有限公司經(jīng)過多年持續(xù)研究，成功攻克了這些關(guān)鍵技術(shù)，率先實(shí)現(xiàn)了石墨烯飛秒光纖激光器的產(chǎn)品化，主要性能指標(biāo)均高于同類產(chǎn)品，具有很高的性價(jià)比和很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
　　該產(chǎn)品被命名為Fiphene，取Fiber（光纖）和Graphene（石墨烯）兩個(gè)詞的組合。泰州巨納新能源有限公司計(jì)劃以Fiphene為平臺(tái)，推出更多石墨烯光纖激光器產(chǎn)品，將石墨烯的應(yīng)用發(fā)展向前推進(jìn)。

　　歐盟石墨烯科技路線圖
　　根據(jù)路線圖，石墨烯旗艦計(jì)劃將分兩階段進(jìn)行：初始熱身階段（2013年10月1日至2016年3月31日，共資助5400萬歐元）和穩(wěn)定階段（2016年4月開始，預(yù)計(jì)每年資助5000萬歐元）。

　　化學(xué)傳感器、生物傳感器與生物界面
　　石墨烯及相關(guān)材料（GRM）對(duì)分子間相互作用非常敏感，是制造化學(xué)傳感器的理想材料，理論上可以實(shí)現(xiàn)單分子檢測(cè)，更進(jìn)一步還能開發(fā)用于生物系統(tǒng)的界面?zhèn)鞲衅?。新興傳感技術(shù)與生物學(xué)的融合能實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞分辨率的細(xì)胞表面動(dòng)力學(xué)研究，并制造出新型器件。該課題旨在研究與開發(fā)基于GRM的醫(yī)用新技術(shù)，具體目標(biāo)包括：實(shí)現(xiàn)對(duì)單分子（無論是氣相還是液相）的選擇性檢測(cè)；開發(fā)細(xì)胞仿生系統(tǒng)；檢測(cè)膜/細(xì)胞表面的電場(chǎng)與化學(xué)梯度；開發(fā)多向界面，解決電子器件與生物軟組織間的機(jī)械失配問題。

　　GRM與半導(dǎo)體器件的集成
　　GRM與傳統(tǒng)的基于硅、GaAs、GaNg、InP的半導(dǎo)體器件的集成，可以提升混合系統(tǒng)的性能。該課題旨在針對(duì)GRM膜的轉(zhuǎn)移與鍵合開發(fā)一種產(chǎn)業(yè)級(jí)的可擴(kuò)展方法，從而實(shí)現(xiàn)GRM在半導(dǎo)體平臺(tái)上的后端集成。相關(guān)提案須關(guān)注GRM的轉(zhuǎn)移與鍵合，以及GRM與半導(dǎo)體器件間界面的設(shè)計(jì)。結(jié)合了GRM和半導(dǎo)體材料兩者功能的混合系統(tǒng)應(yīng)作為工作集成器件發(fā)揮其潛能。
　　具體目標(biāo)包括：尋求一條可擴(kuò)展的途徑，以便GRM膜集成到半導(dǎo)體系統(tǒng)時(shí)能實(shí)現(xiàn)晶片規(guī)模集成；針對(duì)電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)和其他接觸性質(zhì)，對(duì)GRM與半導(dǎo)體器件的相互作用進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)的應(yīng)用；使用最先進(jìn)的計(jì)量技術(shù)評(píng)估被集成的GRM層的質(zhì)量；實(shí)現(xiàn)混合系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

　　面向射頻應(yīng)用的無源組件
　　該課題旨在開發(fā)與測(cè)試天線、電子互連、熱擴(kuò)散層、過濾器和微機(jī)電系統(tǒng)等無源組件在高頻電子領(lǐng)域的不同應(yīng)用。該課題還關(guān)注包括可用開關(guān)控制的屏障、自混合天線與光學(xué)透明器件在內(nèi)的新型微波天線與器件。具體目標(biāo)包括：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于GRM的無源射頻組件；使用最先進(jìn)的表征技術(shù)和評(píng)估方法驗(yàn)證組件性能，以滿足不同應(yīng)用的具體需求；申請(qǐng)者應(yīng)在提案中清楚描述和探討其預(yù)想的無源組件優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)之處。

　　硅光子學(xué)的集成
　　該課題旨在面向下一代計(jì)算與通信系統(tǒng)，開發(fā)集成GRM與硅波導(dǎo)和無源光路的方法，特別是可使現(xiàn)有的類CMOS硅制造基礎(chǔ)設(shè)施在未來實(shí)現(xiàn)晶片規(guī)模集成的可擴(kuò)展方案。具體目標(biāo)包括：展示GRM與硅基光電集成電路晶片規(guī)模集成的可能性；在集成GRM基調(diào)制器和檢測(cè)器與硅光子電路的基礎(chǔ)上對(duì)光互連進(jìn)行驗(yàn)證；利用最先進(jìn)的計(jì)量技術(shù)，優(yōu)化和評(píng)估電路的性能與能效；證明非線性器件可實(shí)現(xiàn)全光數(shù)據(jù)處理。

　　高頻電子學(xué)
　　該項(xiàng)任務(wù)旨在針對(duì)基于石墨烯的高頻電子技術(shù)的開發(fā)制定長(zhǎng)期愿景。具體目標(biāo)包括：優(yōu)化關(guān)鍵的加工技術(shù)，涉及接觸電阻、柵極堆棧、鈍化、帶隙工程和不同二維材料的整合；確定制造石墨烯基高頻集成電路面臨的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，并開發(fā)相應(yīng)的解決方案；針對(duì)石墨烯基高頻器件的制造提出新理念；針對(duì)材料、流程和器件定義相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化途徑；將石墨烯視為下一代高性能電子材料，制定清晰、詳細(xì)的開發(fā)路線圖。

　　光電子學(xué)
　　該項(xiàng)任務(wù)旨在通過石墨烯電子和光子組件（如激光器、開關(guān)、光波導(dǎo)、光頻3 轉(zhuǎn)換器、放大器、空腔、調(diào)制器、光檢測(cè)器、納米光子組件、超材料、太陽(yáng)能電池等）的融合與集成，創(chuàng)建新的石墨烯光子學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域。這需要針對(duì)石墨烯及相關(guān)的二維層狀材料開發(fā)不同的制造方法。此外，還需提供廣泛的理論支持，以促進(jìn)對(duì)石墨烯及二維材料光學(xué)行為和光電響應(yīng)的理解。

　　傳感器
　　該項(xiàng)任務(wù)旨在開發(fā)基于石墨烯薄膜的傳感器件，特別是開發(fā)靈敏度高、用途廣的傳感器件，并通過建模對(duì)其進(jìn)行原理驗(yàn)證。具體任務(wù)包括：樣品制備與基礎(chǔ)測(cè)試；傳感器工作原理描述；通過建模進(jìn)行技術(shù)和可行性評(píng)估。
 
　　柔性電子學(xué)
　　該項(xiàng)任務(wù)旨在研究石墨烯在柔性電子器件和系統(tǒng)開發(fā)所需的關(guān)鍵技術(shù)方面的用途，涉及材料與制造過程、靈活的能源解決方案、柔性射頻電子學(xué)和無線連接方案、柔性傳感器、柔性無源電子技術(shù)、面向柔性電子學(xué)的系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)等領(lǐng)域。

　　與招標(biāo)公告同時(shí)發(fā)布的還包括一份石墨烯科技路線圖。該路線圖計(jì)劃每?jī)赡旮乱淮?，旨在為基于石墨烯、二維晶體和混合系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)提供指導(dǎo)。