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可调控硅-石墨烯混合纳米线波导及器件：原理、制备与应用的深度探索

一、引言

1.1研究背景与意义

随着信息技术的飞速发展，对光电子器件的性能要求日益提高。硅基光子学作为光电子领域的重要研究方向，因其与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的兼容性，在实现大规模光电子集成方面具有巨大潜力，受到了广泛关注。硅基光子学利用硅和硅基衬底材料作为光学介质，通过集成电路工艺制造光子器件和光电器件，在光通信、光传感、光计算等领域展现出了广阔的应用前景。在光通信领域，硅基光子学器件能够实现高速、低损耗的光信号传输与处理，满足日益增长的数据传输需求；在光传感领域，硅基光子传感器具有高灵敏度、小型化等优势，可应用于生物医学检测、环境监测等多个方面；在光计算领域，硅基光子学有望为未来的高速计算提供新的解决方案。

然而，传统硅基光子学器件也存在一些局限性。硅材料本身是间接带隙半导体，其发光效率较低，这在一定程度上限制了硅基光源的性能，使得硅基光子学在实现全光集成方面面临挑战；硅基光子学器件的光调制速度和调制效率有待进一步提高，以满足高速光通信和光信号处理的需求；硅基光子学器件的可调控性相对较弱，难以实现对光信号的灵活控制。因此，寻找新的材料和技术来克服这些局限性，成为硅基光子学领域的研究热点。

石墨烯作为一种新型二维材料，自2004年被发现以来，因其独特的物理性质而备受关注。石墨烯具有优异的电学性能，其载流子迁移率高达2×10?cm2/V?s，这使得石墨烯在电子学领域具有潜在的应用价值，可用于制造高速电子器件；石墨烯具有出色的热学性能，其导热率可达5300W/m?K，良好的热学性能有助于提高器件的散热效率，从而提升器件的稳定性和可靠性；石墨烯还具有良好的光学性能，虽然单层石墨烯的吸光率仅为2.3%，但其宽谱光吸收特性使其在光电器件中具有重要应用，能够拓展光探测器的探测波长范围，实现从X射线到红外波段的宽光谱室温探测。

将石墨烯与硅相结合，形成硅-石墨烯混合集成光子器件，为解决传统硅基光子学器件的局限性提供了新的思路。石墨烯与硅的结合具有诸多优势。从光学性能方面来看，石墨烯的宽谱光吸收特性可以弥补硅材料在光吸收方面的不足，拓展硅基光子学器件的工作波长范围，例如将光电子探测器的探测波长从传统硅材料的可见光及近红外波段拓展至中红外波段，从而实现更广泛的光信号探测和处理；石墨烯与硅形成的界面可以产生独特的光学效应，如光致透明效应等，为光信号的调控提供了新的机制。在电学性能上，石墨烯的高载流子迁移率可以提高硅基光子学器件的电学性能，例如加快光调制速度，提高调制效率；通过对石墨烯进行电学调控，可以实现对硅-石墨烯混合器件光学性能的有效控制，为实现可调控的光电子器件提供了可能。在热学性能方面，石墨烯的高导热率有助于改善硅基光子学器件的散热问题，提高器件的稳定性和可靠性，确保器件在长时间工作过程中能够保持良好的性能。

硅-石墨烯混合集成光子器件在多个领域具有重要的应用前景。在光通信领域，可用于制造高性能的光调制器、光探测器和光开关等器件，提高光通信系统的传输速率和信号处理能力，满足5G、6G等高速通信网络对光通信器件的需求；在光计算领域，有望为光计算芯片的发展提供关键技术支持，推动光计算技术的进步，实现更高效、更快的计算；在生物医学传感领域，利用硅-石墨烯混合器件的高灵敏度和生物兼容性，可以开发新型的生物传感器，用于生物分子检测、疾病诊断等，为生物医学研究和临床应用提供有力工具。

综上所述，研究可调控硅-石墨烯混合纳米线波导及器件具有重要的理论意义和实际应用价值。通过深入研究硅-石墨烯混合纳米线波导的结构、光学、电学和热学性能，以及基于这些性能的光电器件设计和制备，可以为硅基光子学的发展提供新的理论和技术支持，推动光电子器件向高性能、小型化、可调控的方向发展。

1.2国内外研究现状

在硅-石墨烯混合纳米线波导及器件的研究领域，国内外科研人员已取得了一系列具有重要意义的成果，为该领域的发展奠定了坚实基础。

在国外，2018年，美国加利福尼亚大学的研究团队设计了一种硅-石墨烯混合纳米线波导，通过精确控制石墨烯与硅的接触面积和相互作用方式，实现了光信号在波导中的有效传输和调制。实验结果表明，该混合纳米线波导在1550nm通信波长下，传输损耗低至0.5dB/cm，展现出良好的光学传输性能；同时，利用石墨烯的电学特性，通过施加外部电场，实现了对光信号的调制，调制速度达到了1GHz，为高速光通信器件的研发提供了新的思路。同年，韩国的科研人员研制出基于硅-石墨烯混合结构的光探测器，该探测器利用石墨烯的宽谱光吸收特性，将探测波长范围拓展至中红外波段，在中红外光探测领域具有潜在的应用价值。在光通信领域，国外还对