Nano Res.│河南大学陈珂课题组：石墨烯集成波导——性能、制备及应用

背景介绍

随着信息时代的飞速发展，光波导在数据通信、光互联等领域展现出巨大的应用潜力。石墨烯因其独特的Dirac锥形电子能带结构而具有非凡的光电特性，与光波导的集成可以构筑具有强烈光与物质相互作用的新型光电子器件，提升传统光波导的功能。近年来，石墨烯集成波导（graphene-integrated waveguides, GIWGs）从材料制备、器件结构设计、集成过程到应用等诸多方面都取得了实质性进展，然而从基础研究转向实际应用过程中仍然面临许多挑战。因此，系统探究不同结构石墨烯集成波导的制备方法，并建立其与器件性能的构效关系，将有利于阐明GIWGs的发展方向，推动其产业化发展。

成果简介

河南大学陈珂教授团队系统总结了近年来GIWGs的制备方法、性能及应用方面的研究进展。侧重强调GIWGs的制备技术及其对器件性能的影响，分别介绍了四种制备方法，即机械剥离、液相合成、化学气相沉积（chemicalvapordeposition, CVD）生长与转移以及无转移原位生长法等，揭示了各种制备技术对器件性能指标的调控规律，指出了GIWGs领域的挑战和未来发展方向。

图1.石墨烯集成波导的制备、性能与应用

图文导读

将石墨烯集成到波导中，可以改善其功能并增强光与物质的相互作用，提高石墨烯光电器件的性能。本文首先介绍了石墨烯奇异的光电性质，包括石墨烯的线性光吸收、光热电效应、可饱和吸收、光学克尔效应、三阶非线性、四波混频和双光子吸收等，在此基础上分析了GIWGs结构中光与石墨烯的相互作用机理，展现了GIWGs在光通讯、光传感等应用领域的巨大发展潜力。

图2.石墨烯光电性质及GIWGs中光与物质相互作用机制

高质量GIWGs的大规模制造是实现GIWGs光子学器件实际应用的关键。迄今为止，将石墨烯集成到波导中的方法主要是通过机械剥离转移、液相涂覆、CVD生长与转移以及无转移生长实现。本文对比了不同制备过程对石墨烯材料质量和器件性能等方面的影响，并简要概述了GIWGs在探测器、调制器、超快激光、非线性光学和生物传感等方面应用的研究进展。

图3. GIWGs的制备方法

图4.不同方法制备的GIWGs材料与器件的性能比较

最后，作者进行了总结与展望。GIWGs作为未来与CMOS兼容的最具竞争力的石墨烯光电子元件备受关注，但走向实际应用仍面临挑战。（1）高品质石墨烯材料的制备。高质量的石墨烯材料是实现高性能光电器件的前提和基础。（2）石墨烯薄膜的大面积、高通量转移方法。石墨烯在转移过程不可避免带来的损伤、污染等问题会造成石墨烯光学损耗升高，从而降低器件性能。（3）与CMOS工艺兼容的大规模制备技术。（4）石墨烯本征吸收造成的不可避免的光学损耗。尽管波导结构能够增强GIWGs的非线性效应，但同时也无法避免随之而来的石墨烯线性光衰减增大的问题，从而导致器件性能降级。（5）GIWGs器件高速度与高效率的平衡。尽管如此，未来GIGWs的研究仍然充满期待，各种瓶颈问题将随着石墨烯制备技术、器件微加工技术与新原理器件模型的不断革新而得以突破。更重要的是，它也为推动新型二维晶体材料集成的波导器件的制造开辟了新的途径。随着人们对石墨烯材料质量、器件制造精度和光电性能要求的不断提高，GIWGs的蓬勃发展需要在数据通信和电信领域的学术界和业界之间进行持续的系统性合作。

作者简介

通讯作者简介：

陈珂，河南大学教授，博士生导师，中组部万人计划青年拔尖人才、河南省中原青年拔尖人才入选者。2012年获同济大学博士学位，曾在英国剑桥大学（2012）、北京大学（2013-2018）和美国麻省理工学院（2020）从事博士后或访问学者研究工作。2012年至今在河南大学工作。长期致力于石墨烯等二维材料的可控生长、结构调控以及纳米光学等方面研究，重点研发了石墨烯多级结构材料、石墨烯光子晶体光纤、石墨烯基柔性透明电极等新材料与器件。发表SCI论文50余篇，其中以第一/通讯作者在Nat. Photon.、Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.等国内外著名期刊发表论文20余篇，SCI他引1200余次。受邀在国内外学术会议做邀请报告10余次，是Adv. Mater.、Adv. Fun. Mater.、Small、2D Mater.、科学通报等期刊的审稿人。授权国家发明专利6项。参与编写石墨烯相关著作（章节）2部。担任《Exploration》青年编委。获河南省高层次人才（B类）、河南省教育厅学术技术带头人，河南省青年科技奖（2019）等称号或奖励。

课题组招聘：

长期招聘具有物理、材料、化学、光学工程、电子等相关专业背景，能够从事以下方向研究的博士、博士后和副教授若干名。招聘岗位包括副教授、讲师、专职科研人员等以上岗位。

（1）二维晶体生长的物理基础：石墨烯等二维晶体的化学气相沉积生长方法与过程工程学；二维材料规模化可控制备与应用；二维材料生长的模拟计算。

（2）二维材料纳米光子学：石墨烯、半金属二维材料表面等离激元学；极化激元学；石墨烯集成中红外光子器件。

（3）超快材料与超快激光物理：二维非线性光学材料；红外激光锁模技术。

应聘者应对学术研究有浓厚的兴趣和热情，具有扎实的基础研究功底和独立工作能力；具有团队合作精神；拥有较强的英语阅读、写作和交流能力。

应聘方式：将详细的个人介绍（包括个人简历、研究兴趣、代表性成果、获奖情况、拟开展的研究计划等）发送至E-mail：kchen@henu.edu.cn；课题组网站：https://kchenmat.henu.edu.cn。

文章信息

K. Chang, Z. Li, Y. Gu, et al. Graphene-integrated waveguides: Properties, preparation, and applications. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4539-4.