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最薄的光波导通道只有三层原子内的光

Chawina De-Eknamkul

chawina de-eknamkul在构建原子级薄波导的过程中。

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师开发出了世界上最薄的光学器件 - 一种三层原子薄的波导。

这项工作是将光学器件缩小到比现在的器件小几个数量级的概念的证明。它可能导致更高密度,更高容量的光子芯片的发展。研究人员发表了他们的调12英寸 自然纳米技术.

“从根本上说,我们展示了光波导可以制造多么薄的极限,”资深作者ertugrul cubukcu说,他是uc san diego的纳米工程和电气工程教授。

新型波导的厚度约为6埃 - 比典型光纤薄10,000倍,比集成光子电路中的片上光波导薄约500倍。

波导由悬浮在硅框架上的二硫化钨单层(由夹在两层硫原子之间的一层钨原子构成)组成。单层也用一系列纳米孔形成图案,形成光子晶体。

二硫化钨单层悬浮在空气中并用方形阵列的纳米孔图案化的插图。在激光激发时,单层发射光致发光。该光的一部分耦合到单层中并沿着材料被引导。在纳米孔阵列处,折射率的周期性调制导致一小部分光衰减到材料平面之外,允许光被观察为导模谐振。

这种单层晶体的特殊之处在于它在室温下支持称为激子的电子 - 空穴对。这些激子产生强烈的光学响应,使晶体的折射率大约是围绕其表面的空气的折射率的四倍。相比之下,具有相同厚度的另一种材料不会具有高折射率。当光线通过晶体发出时,它被困在里面,并通过全内反射沿着平面引导。这是光波导如何工作的基本机制。

另一个特征是波导在可见光谱中引导光。 “这对于这种薄的材料来说很难实现,”Cubukcu说。 “先前已经用石墨烯证明了波导,石墨烯也是原子级薄的,但是在红外波长下。我们首次在可见光区域展示了波导。“

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波导结构的半成像:悬浮的二硫化钨单层,用纳米尺寸的孔构图。

蚀刻到晶体中的纳米尺寸的孔允许一些光垂直于平面散射,从而可以观察和探测。这个孔阵列产生周期性结构,使得晶体也成为谐振器。

“这也使其成为可见光最薄的光学谐振器,无法通过实验证明,”第一作者xingwang zhang表示,他曾在该地区的cubukcu实验室担任博士后研究员。 “这个系统不仅可以共振地增强光物质相互作用,还可以作为二阶光栅耦合器将光耦合到光波导中。”

研究人员使用先进的微观和纳米制造技术来制造波导。该研究的共同作者,该学院的纳米工程博士学生chawina de-eknamkul说,创建这个结构特别具有挑战性。 “这种材料是原子级薄的,所以我们不得不设计一个工艺来将其悬挂在硅框架上并精确地对其进行图案化而不会破坏它,”她说。

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该过程始于由硅框架支撑的薄氮化硅膜。这是构建波导的基板。将纳米尺寸的孔阵列图案化到膜中以产生模板。接下来,将单层二硫化钨晶体转移到膜上。然后通过膜将离子送入晶体中以蚀刻相同的孔图案。在最后一步中,轻轻地蚀刻掉氮化硅膜,使晶体悬浮在硅框架上。结果是一种光波导,其中芯由单层二硫化钨光子晶体组成,该光子晶体被具有较低折射率的材料(空气)包围。

为了向前发展,该团队将继续探索与波导有关的基本属性和物理学。

论文题目:“在ångström厚度限制下引导可见光子。”共同作者包括杰古,亚历山德拉。 boehmke和vinod m。纽约市立大学曼顿;和jacob khurgin,约翰斯霍普金斯大学。

这项工作得到了国家科学基金会在nsf 2-dare计划(efma-1542879)下的部分支持。


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