最薄的光波導(dǎo)僅在三層原子內(nèi)通道

加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校的工程師開發(fā)出了世界上最薄的光學(xué)器件 - 一種三層原子薄的波導(dǎo)。

這項(xiàng)工作證明了將光學(xué)器件縮小到比現(xiàn)在的器件小幾個數(shù)量級的尺寸。它可能導(dǎo)致更高密度，更高容量的光子芯片的發(fā)展。研究人員于8月12日在Nature Nanotechnology上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程和電氣工程教授，高級作者Ertugrul Cubukcu說：“從根本上說，我們證明了光波導(dǎo)的薄度有多么極限。”

新型波導(dǎo)的厚度約為6埃 - 比典型光纖薄10,000倍，比集成光子電路中的片上光波導(dǎo)薄約500倍。

波導(dǎo)由懸浮在硅框架上的二硫化鎢單層(由夾在兩層硫原子之間的一層鎢原子組成)組成。單層也用一系列納米孔形成圖案，形成光子晶體。

這種單層晶體的特殊之處在于它在室溫下支持稱為激子的電子 - 空穴對。這些激子產(chǎn)生強(qiáng)烈的光學(xué)響應(yīng)，使晶體的折射率大約是圍繞其表面的空氣的折射率的四倍。相比之下，具有相同厚度的另一種材料不具有高折射率。當(dāng)光線通過晶體傳播時，它會被內(nèi)部捕獲并通過全內(nèi)反射沿著平面引導(dǎo)。這是光波導(dǎo)如何工作的基本機(jī)制。

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SEM圖像：懸浮的二硫化鎢單層，用納米尺寸的孔構(gòu)圖。圖片來源：Cubukcu實(shí)驗(yàn)室

另一個特征是波導(dǎo)在可見光譜中引導(dǎo)光。“這對于這種薄的材料來說很難實(shí)現(xiàn)，”Cubukcu說。“先前已經(jīng)用石墨烯證明了波導(dǎo)，石墨烯也是原子級薄的，但是在紅外波長下。我們首次在可見光區(qū)域進(jìn)行了波導(dǎo)演示。”

蝕刻到晶體中的納米孔允許一些光垂直于平面散射，從而可以觀察和探測。這個孔陣列產(chǎn)生周期性結(jié)構(gòu)，使得晶體也成為諧振器。

“這也使它成為用于可見光的最薄的光學(xué)諧振器，無法通過實(shí)驗(yàn)證明，”第一作者Xingwang Zhang說，他曾在加州大學(xué)圣地亞哥分校的Cubukcu實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后研究員。“該系統(tǒng)不僅可以共振地增強(qiáng)光物質(zhì)相互作用，還可以作為二階光柵耦合器將光耦合到光波導(dǎo)中。”

研究人員使用先進(jìn)的微觀和納米制造技術(shù)來制造波導(dǎo)。納米工程博士Chawina De-Eknamkul說，創(chuàng)造這種結(jié)構(gòu)特別具有挑戰(zhàn)性。加州大學(xué)圣地亞哥分校的學(xué)生和該研究的合著者。“材料是原子級薄的，所以我們必須設(shè)計(jì)一個過程，將其懸掛在硅框架上并精確地對其進(jìn)行圖案處理而不會破壞它，”她說。

該過程始于由硅框架支撐的薄氮化硅膜。這是構(gòu)建波導(dǎo)的基板。將納米尺寸的孔陣列圖案化到膜中以產(chǎn)生模板。接下來，將單層二硫化鎢晶體沖壓到膜上。然后通過膜將離子送入晶體中蝕刻相同的孔圖案。在最后一步中，輕輕地蝕刻掉氮化硅膜，使晶體懸浮在硅框架上。結(jié)果是光波導(dǎo)，其中芯由單層二硫化鎢光子晶體組成，該光子晶體被具有較低折射率的材料(空氣)包圍。