石墨烯光电子器件的应用研究进展

张鲁一航

摘要：石墨烯从2004年被发现之后，因具备电学性能和光学性能的卓越特点备注瞩目。而且人们还发现，石墨烯在电子领域中和硅基半导体工艺之间有着超高的兼容性，因此，在工业界和学术界受到了诸多学者的广泛关注。这些陆续被研制出的以石墨烯为原料的光电子器件，在优异的性能上已经展现出优质的发展前景。本文重点分析了近年来，石墨烯在光调制器、超快脉冲激光器以及光探测器等领域的研究与进展，以及目前所面临的挑战和发展趋势。

关键词：石墨烯；光电子器件；应用研究与进展

概述

在硅基光电子技术的发展中，这个有望为人类未来实现超高徐宽带数据通讯的化学载体，却因为无法集约化、微型化等问题阻碍了它在传输领域和宽带数据计算中的应用。而作为一种特殊的晶体薄膜材料，因为拥有者超高的热导率、优异的机械性能以及极强的非线性光学特征，使得石墨烯在光电子器件和新型光学领域中有着得天独厚的物理优势。甚至是彻底改变了人们对于二维原子晶体材料的认知。因此，石墨烯也被学术界认定为是继硅基半导体后具有划时代意义的新型电子材料。

一、石墨烯的光学性能

研究表明，石墨烯具有良好的光学性能，相对于其他传统半导体材料，石墨烯的透光率可高达97.7%，宽波段具备调节的光学性能，让石墨烯可以迅速的进入光电子器件研究使用者的视野之中。目前所研制出的新型光电子器件爱工作光谱的宽范围、热损伤的高阈值等方面都有着不可忽视的优点，甚至在加工的过程中易于整合，制作简单。2009年至2012年间，美国和西班牙等国家的课题组都在光电子器具的性能上，依据石墨烯做出了相应的研究成果。

石墨烯不仅是光调制器、超快脉冲激光器以及光探测器等表面等离子体基的研究基石，更是作为新时代纳米光电子领域阵地研究的热点。

（一）线性光学性质

石墨烯有着区别于传统电子材料结构的一个最为显著的特点，就是二维石墨烯布里渊区K点的能力和动量所形成的线性关系，可以使载流子的有效质量变为0。这种物理性性质依附于石墨烯自身具备的能带关系。使得单层石墨烯有着很强的吸光率。在一定的能量关系中，其动量与电子能量呈现着线性管子，通过对石墨烯化学式的有效调节，可以使石墨烯的光学特性从“介质态”转变为“金属态”。

（二）非线性光学性质

石墨烯非线性光学性质产生的原因，一般是由于是石墨烯内碳原子的外层电子与射光所产生的电场发生磁共振，从而使石墨烯内部的电子云和原子核产生了相对位置的偏移和极化。

二、石墨烯光调制器

光学信号有着振幅、频率、强度、相位和传播方向的特征，而想要通過外界的各种能量形式来实现编码光学信号等相关过程，光学调制器则成为了一种改变光的特征参数的有力武器。光可以通过材料的折射率来进行变化的预测，因此，光学调制的过程和方式也有很多，比如声光调制、热光调制以及电光调试等。在以上的三种调试方法中，因为带宽高、速度快等多方面的优点，常被用于目前的研究中。电光调试简单的来说，就是外加电磁场对材料折射率虚部和实部所产生的影响变化。石墨烯的出现也一定程度上解决了传统光调制器由于工作带宽窄而限制大数据传输的弊端。

三、石墨烯光探测器

由于石墨烯具有超快的载流子迁移率和宽带光吸收以及零带隙结构的优异特点，被光探测器中作为活性层而灵活的使用，这种超越了其他的半导体探测器的化学物质，让它在宽带高速光探测领域中发挥着极大的作用。在对石墨烯光探测器的性能尝试中，经过研究人员的多方努力，其中一种研究取得了十分突出的成果。利用纳米结构表面等离子效应将光能转化为的等离子共振，从而促进石墨烯内部光生载流子起到更大的作用。这种研究成果的取得有效的提高了器件的光电探测的速率，更通过对纳米结构的改变，实现了对特定坡长入射光信号的选择性响应。

结语

通过对石墨烯等离子特性的相关利用，可以制造出多种有源和无源的光电子器具，与此同时，这一新兴的材料也收到了工业界研究人员的关注，越来越多的相关行业研究者看是在军事、通讯等多方面注重对石墨烯的探索和研究。它所具备的优异的光学特性，通过复合和集成，全方位的提高了以硅基为主的半导体器件的综合性能。但在实现石墨烯光电子器件的商用化应用中还有许多科学性的问题需要解决。未来石墨烯光电子器具的应用和发展中，还有很多路需要走。

参考文献

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