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石墨烯与光电发展 摘要： 石墨烯是材料物理和半导体物理中一颗新星，它具有很多独特的性质使得它引起业界的 广泛重视。随着半导体物理的发展，半导体 Si 制成尺度不断缩小，也将达到一个难以逾越 的瓶颈。但是，石墨烯以它的高传导速度和轻薄的特点，赢得人们的青睐。可以设想，不远 的将来，石墨烯很有可能取代 Si 而成为下一代集成电路的主要材料。而石墨烯在光调制方 面也有着很大的优势，在光纤通信中，优良的调制器可以很大的提高通信速度和质量。 介绍： 石墨烯是一种由一系列碳原子排列成六边形的网格状二维结构（图1）。它的一个很明显 的优点就是：在这种二维晶格结构中，由于晶体能量和动量线性的分布，电子可以在期中几 乎无阻力的穿梭。 图1 石墨烯的球棍结构图 图2 石墨烯的一种可能的结构图，可以看到一些微小尺 度下的起伏 另外，单层的石墨烯可以吸收范围很大的电磁波普（从红外光到紫外区），并且，单层 石墨烯对白光的吸收比例可以用一个简单的公式来计算 其中 为精细结构常数 这个结果已经被实验所证明：在白光波段，吸收与波长基本无关， 且与层数成正比，显示了石墨烯独特的性质。 （见图3） 在石墨烯中，它的载流子运动非常快，所以载流子行为更接近相对论粒子，所以，需要 用狄拉克方程来描述，而不是薛定谔方程。在研究石墨烯的量子霍尔效应中，出现了一件很 吸引人的现象：在狄拉克点附近的态密度接近于0。这个特性使得石墨烯可以在光强很小的 时候吸收光，并且十分灵敏。 图3 （a ）白光通过空气、单层石墨烯、双层石墨烯的透射 图3 （b ）透射率与波长及石墨烯层数的关系 率 石墨烯在广泛地吸收光时，可以通过电机控制其吸收：通过转换电子费米能级有效的改 变石墨烯的光跃迁。还没有在大块的材料上发现的强烈的电吸附现象，可以由石墨烯独特的 性质和二维结构特征来产生，这一点说明石墨烯有机会成为一个活跃的光电吸附调制器的媒 介材料。也就是说石墨烯可以用来做优质的光电调制器。当然这里也会有挑战，比如直接的 石墨烯调制器手单层光吸收的限制。这样点可以通过光的波导来积分来大大增强相互作用的 长度。 下面说一下波导积分电吸附调制器的几个优点： 1、光和石墨烯的相互作用强烈。与其他复合物半导体相比，单层石墨烯拥有更强的光 字跃迁的间带，这样就可以应用在新奇的光电子装置上，比如光电探测器。 2、宽带运用上的优势。由于狄拉克费米子的高频动态电导是一个常数，石墨烯的光跃 迁与波长无关，可以覆盖所有的通信带宽和中频和远红外线波段。 2 -1 -1 3、高速的运算能力。凭借载流子超越性的移动速率（室温下200,000cm V s ）费米能 级和光吸收可以被快速的调制。并且，石墨烯受限于速度的进程可以在picoseconds 单位时间尺度上进行。这样说明基于石墨烯上的电子产品有能力达到500GHz的速度。 4、和用CMOS处理的兼容性很好。石墨烯无热的光电特性和它的CMOS兼容性使得它成为 一个CMOS之后一个优良的继承者，尤其是在高频设计上的应用将十分广泛。 由于以上这些优点，整体的石墨烯积分调制器的可以开启一个新的光学积分时代。这里， 也介绍一个石墨烯调光电制器的例子。 电子吸附调制器（Electro-absorption modulator ） 这种调制器的结构如图4 、图5 所示。主要结构有：1）50 奈米厚的Si 层，用来连接250nm 厚的Si 传导波导和一个金电极。两个Si 层和波导都稍微参杂了一些硼元素来降低表面电阻。 2 ）7nm 厚的Al O 均匀的分布在波导的表面。3 ）一薄层石墨烯，通过化学蒸汽法沉降生长 2 3 出来，并附着在Si 波导上面。 图4 调制器的三维视图