作者:苏黎世联邦理工学院奥利弗·莫什 具有二维异质结构薄层、光波导和电触点的ETH光探测器的电子显微镜图像，通过这些电触点读出探测器的信号
信用:苏黎世联邦理工学院 苏黎世联邦理工学院的两个研究小组联合开发了一种新型光探测器
它由耦合到硅光波导的不同材料的二维层组成
在未来，这种方法也可以用来制造发光二极管和光学调制器
快速高效的调制器和光检测器是通过光缆传输数据的核心组件
近年来，基于现有光学材料的电信构建模块不断得到改进，但现在越来越难以实现进一步的改进
苏黎世联邦理工学院的两个研究小组已经表明，这需要不同专业的合力
由电磁场研究所的于尔格·洛伊索尔教授和光子学研究所的卢卡斯·诺沃蒂尼教授领导的一组科学家，与日本筑波国家材料科学研究所的同事一起，基于新型二维材料和纳米光子光波导之间的相互作用，开发了一种速度极快、灵敏度极高的光探测器
他们的结果最近发表在科学杂志《自然纳米技术》上
二维材料 “在我们的探测器中，我们想利用不同材料的优势，同时克服它们各自的局限性，”博士尼古拉·弗勒里解释说
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诺沃特尼小组的学生
“最好的方法是用不同的层制造一种人造晶体——也称为异质结构——每个层只有几个原子厚
此外，我们很想知道关于这种二维材料在实际应用中的所有传闻是否都是有道理的
" 在二维材料中，如石墨烯，电子只在平面上运动，而不是在三维空间中
这深刻地改变了它们的传输特性，例如当施加电压时
虽然石墨烯不是光学应用的理想选择，但钼或钨等过渡金属和硫或碲(缩写为TMDC)等硫属元素的化合物具有很高的光敏性，而且很容易与硅光波导结合
用于表征新型光探测器原型的实验装置
信用:苏黎世联邦理工学院 不同方法的相互作用 波导和高速光电子学的专业知识来自于于于尔格·勒索尔的研究小组
该小组的资深科学家马平强调，正是这两种方法的相互作用使这种新型探测器成为可能:“了解二维材料和光进入探测器的波导对我们的成功至关重要
我们一起意识到二维材料特别适合与硅波导结合
我们小组的专长完美互补
" 研究人员必须找到一种方法，让通常相当慢的TMDC探测器更快
另一方面，检测器必须最佳地耦合到用作接口的硅结构，而不牺牲其高速性能
通过垂直结构的速度 “我们通过实现由TMDC(在我们的例子中是钼二碲镉汞)和石墨烯组成的垂直异质结构解决了速度问题，”弗利说
与传统的探测器不同，通过这种方式，由入射光粒子激发的电子在被测量之前不需要首先穿过大部分材料
相反，TMDC的二维层确保电子可以在很短的时间内向上或向下离开材料
它们离开得越快，探测器的带宽就越大
带宽指示在什么频率下可以接收编码在光脉冲中的数据
“我们曾希望通过我们的新技术获得几千兆赫的带宽——最终，我们实际上达到了50千兆赫，”弗利说
到目前为止，基于TMDC的探测器的带宽可能小于1千兆赫
显示了二碲钼晶体
晶片般薄的晶体层可以与两个石墨烯层结合，构成垂直异质结构
信用:苏黎世联邦理工学院 另一方面，通过将检测器集成到纳米光子光波导中，实现了最佳的光耦合
从波导横向突出的所谓的倏逝波通过石墨烯层(具有低电阻)将光子馈送到异质结构的钼-二碲层中
在那里，它们激发电子，最终被检测为电流
集成波导设计确保在该过程中吸收足够的光
多种可能性的技术 联邦理工学院的研究人员相信，通过波导和异质结构的结合，他们不仅可以制造光探测器，还可以制造其他光学元件，如光调制器、发光二极管和激光器
“可能性几乎是无限的，”弗利和马对他们的发现充满热情
“我们只是挑选了光电探测器作为这种技术的一个例子
" 在不久的将来，科学家们想利用他们的发现来研究其他二维材料
到目前为止已经知道了大约一百种，这为新的异质结构提供了无数种可能的组合
此外，他们想利用其他物理效应，如等离子体激元，以进一步提高他们设备的性能
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