图案化二维材料的电磁功能——用于GHz、THz、光频微纳器件

二维材料不断驱动着微纳电磁器件的发展。为了促进新型微纳电磁器件的进步需要从根本上认识二维材料的晶体和电子结构,揭示电磁响应机制,开发各种先进技术实现对电磁波的控制。图案化结构能够打破传统二维材料的一些限制,提高操纵电磁波的自由度,为深入挖掘二维材料的潜力提供了发展平台。最近,微纳器件与图案化材料的集成令人耳目一新,特别是与图案化石墨烯,MXenes、MoS2、WS2、黑磷等的结合,将微纳器件推向了一个新高度。然而,设计高性能微纳器件仍是一个巨大挑战。选择合适材料,设计有效图案,优化制作方法,揭示器件物理机制等都是设计先进器件的重点及难点。晶体和电子结构直接决定了材料电磁特性和功能,根据材料特性选择合适材料是制作微纳器件的基础。毫米、微米甚至纳米级的几何图案能够赋予二维材料更丰富的电磁功能,精确定位和剪裁二维材料是制作微纳器件的挑战。表面等离子体和介电特性作为电磁响应的重要参数,决定着材料的能量转换、热产生以及光学性能等,掌握材料的电磁响应规律是揭示微纳器件物理机制的关键。

北京理工大学材料学院曹茂盛课题组在Advanced Optical Materials上发表了题为“Electromagnetic Functions of Patterned 2D Materials for Micro Nano Devices Covering GHz, THz, and Optical Frequency”的综述文章,总结了近期二维材料,特别是图案化二维材料,在微纳电磁器件领域的研究进展。该文章首先分析了石墨烯,MXenes、MoS2、WS2、黑磷等典型二维材料的晶体和电子结构。总结了图案化二维材料的先进制作技术,主要包括等离子体增强化学气相沉积、位点选择生长、自组装、氦离子束刻蚀、纳米压印、喷墨打印、丝网印刷、电子束刻蚀、纳米球刻蚀等。讨论了包括表面等离子体和介电特性在内的材料电磁响应行为规律。特别关注了图案化二维材料在包括光电探测器、光电开关、THz调制器、微型光栅、电磁波衰减器件等微纳器件中的应用。最后,系统地讨论了图案化二维材料在微纳电磁器件领域发展中的存在问题,展望了图案化二维材料、先进制作技术、新型微纳器件最具希望的发展方向。本文不仅为图案化二维材料的构筑提供了参考,也为二维材料在微纳器件领域的应用提供了新思路。

相关文章在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201900689)上。