基于低维材料的片上皮秒脉冲热电子热辐射机理及器件

Owing to the development of the next-generation computer, quantum communication and high-speed optical networks, the ultrafast pulse sources with high integration on silicon chips are in great demand. The light emitters based on the low-dimensional materials can make up the deficiency of the compound semiconductors, which cannot be integrated with the silicon-based platform. However, the slow modulation speed and the low emission intensity are the highlight bottlenecks limiting its application. To aim at these two key problems, hot-electron thermal emission based on low-dimensional materials is proposed to achieve on-chip ultrafast picosecond pulse emission. The remote quantum thermal transport and picosecond pulsed thermal emission can be achieved by the coupling of the hot electrons and the optical phonons. By integrating the metamaterials, the emission intensity and the direction can be controlled artificially. Meanwhile, the device can be highly integrated with silicon chip and coupled to the silicon waveguide directly by the evanescent field. This project aims at the modulation of hot-electron thermal emission based on low dimensional materials. Energy transfer, conversion and the modulation mechanism of the generated hot-electron will be investigated. The metamaterials integrated picosecond pulsed hot-electron emitters will be designed, fabricated and characterized. Through this project, it is expected to extend into the field of on-chip spectroscopy and the photodetection, making a big breakthrough for the integrated optical system with multifunction, high integration and miniaturization.

新一代高能计算机、量子通信、高速光网络等领域的发展，对高度集成化的超快光脉冲光源提出了重大需求。基于低维材料的辐射光源可弥补现有复合半导体无法与硅基平台集成的不足，但调控速度慢和辐射强度低是限制其应用的突出瓶颈。针对这两个关键科学问题，本项目提出基于低维材料的热电子实现片上皮秒脉冲热辐射，利用热电子与光学声子的耦合实现远程的量子热输运和皮秒脉冲的热辐射调控；在该器件中集成超材料结构，可实现对热辐射强度增强和定向调控；同时该辐射器件可与硅片高度集成，通过倏逝场可直接与硅波导耦合。项目围绕低维材料热电子热辐射调控这一中心问题，研究电致加热低维材料热电子产生、能量转换机理和调控机制，设计、制备和表征超材料集成的低维材料片上皮秒热电子热辐射器件。研究结果有望延伸到片上光谱学、光电探测器等领域，为集成光学的多功能化、高度集成和与小型化取得更大的突破。

光互联技术对电互联数据传输起着重要的作用，一直是国际关注的前沿。在本项目的支持下，我们基于低维量子结构，在非液体环境下实现了光致驱动。以往实现光致驱动的条件大多是在液体环境或者悬空在真空环境下，这可以避免被驱动物体与界面之间的黏附阻力。在非液体环境下，两个物体之间的黏附阻力可达微牛量级，而基于动量交换的光力的大小只在皮牛量级，故不能实现非液体环境下的光致驱动。这里，我们提出利用微纳尺度下的光、热、弹性波转换，利用弹性波与摩擦力的相互作用，实现非液体环境下的多维度光致驱动。具体来说，在基于微纳光纤的平台上，通过打破微纳物体沿微纳光纤轴向和径向上的对称性，实现了微纳米片在微纳光纤上的螺旋形运动；通过在微纳光纤轴向方向上引入吸收非对称性，可实现微纳物体沿着微纳光纤的面内旋转运动；另外，由于该驱动是由于光热转换引起的，我们也研究了潜在的热效应对该驱动的影响。我们引入三维拓扑绝缘体Sb2Te3材料，利用其两个优异的性质：（1）窄带隙（0.21 eV）特性使得该系统能够进行高效的光热转换，在宽光谱波段内实现有效的光吸收，激发弹性波；（2）低热导率（1 W/m/K，比金低两个数量级）可有效减少热扩散，增强热效应。我们发现在低驱动光功率下，其运动模式与微纳金片相同，呈现出螺旋型运动，并且运动速度与驱动光的平均功率成正比，为基于光-热-弹性波驱动的原理提供了新的证据。当继续增加驱动光的平均功率，可在材料与微纳光纤的界面观察到一种熔融态的液滴。经微区拉曼技术分析，液滴的形成主要来源于马兰戈尼效应（一种典型的热效应），此时，液滴的非对称形变提供微米片运动的驱动力。在非液体环境下，克服表面粘附阻力，实现微纳尺度的光驱动，可以在很多领域具有重要的应用。例如，将该技术与片上波导结合，可实现在集成芯片上的光驱输运以及光-光调制；通过对入射光及结构进行设计，有望实现片上微纳尺度多模态机器人，并应用于全光路由的集成光学芯片中。