Advanced Science:基于2D材料光电子学信息功能器件的新发展

作为二维材料家族的第一个成员,石墨烯获得了2010年的诺贝尔物理学奖。迄今为止,已经有大约700种二维材料被实验或理论证明是稳定存在的。近十年来,二维材料在凝聚态物理、材料科学、能源科学、电子学、光子学、光电子学等基础物理研究领域,以及光伏器件、半导体、场效应晶体管、电极、电池、生物监测器、传感器等实用研究领域都取得了突破性进展,受到了科学界的广泛关注。其中,利用不同的2D材料(如石墨烯、TMDs、黑磷、MXenes及其范德华异质结构),结合光纤、光波导和谐振腔等丰富的载体平台,发展新型光电器件(如激光、调制器、光电探测器、等离子体发生器和传感器),已经成为该领域的研究热点,并不断有高质量的工作被报道。

鉴于此,电子科技大学姚佰承教授和深圳大学张晗教授团队综述了近期基于2D材料光电子学信息功能器件的新发展,以“2D Material Optoelectronics for Information Functional Device Applications: Status and Challenges”为题,在线发表在《Advanced Science》(DOI: 10.1002/advs.202000058)上。综述围绕材料种类和光电子器件类型进行了深入讨论,总结了石墨烯、TMDs、黑磷、MXenes、范德华体系等主流二维材料的光电子特性,进而分类介绍了基于这些二维新材料的激光器、调制器、光电探测器、信号发生器、传感器等光电信息新器件。内容涵盖了二维材料光电响应新机制、材料与光学结构新结合、以及多样化信息器件新功能,并展望了未来的发展方向。

不同的二维材料,具有0到数个电子伏特的丰富带隙,支持从深紫外到微波波段的超宽带光与物质的相互作用。各种二维材料的组合使用,更是让光电子响应的多样性得到了进一步加强。同时,二维材料以其独特的原子级柔性优势,能够通过直接生长和间接转移技术,在基于金属、石英、硅基、超晶等材料的各类现有光电子结构上完成几何组装,在片上和光纤体系中都能发挥作用。进而在为纳尺度上催生出多波段锁模激射、高效率光/电和光/光转换、单分子生化探测、宽带等离激元激发和电控频率梳产生等革命性的技术突破。这些理论设计、材料制备、集成技术和工程应用的革新,为二维材料在先进光信息器件中的蓬勃发展提供了新动力,也不断带来新的未知,提出新的挑战:更多新的二维材料(如二维钙钛矿和拓扑绝缘体)、更多新的工程化技术(如材料打印和复合外延生长)、更多新的学科交叉(如深度学习和生命科学)和更大规模的生产,都值得进一步探索。二维材料光电子学的矿藏,还远远没有枯竭。