Nanomembranele fotonică: integrare eterogenă de înaltă performanță prin forțe van der Waals
Cercetătorii de la Universitatea Washington din St. Louis, Școala Politehnică Federală din Lausanne și Institutul de Tehnologie din Massachusetts au demonstrat o strategie nouă pentru integrarea eterogenă a materialelor funcționale pe cipuri fotonică de siliciu și nitrură de siliciu. Rezultatele au fost publicate în revista Nature.
Circuitele integrate fotonică dirijează informația prin semnale optice, iar siliciul și nitrura de siliciu sunt platforme excelente pentru ghiduri de undă. Totuși, aceste materiale nu pot îndeplini eficient sarcinile tot mai complexe cerute de sistemele optice complet integrate. Abordările convenționale folosesc heteroepitaxia pentru a realiza materiale funcționale sub formă de peliculă subțire pe substraturi optice țintă, dar această metodă se confruntă cu provocări fundamentale legate de potrivirea rețelei cristaline și de compatibilitatea procesului, calitatea materialului epitaxial fiind adesea deteriorată pe cipurile fotonică nepotrivite.
Noua strategie presupune prepararea materialelor dorite pe substraturi parentale adecvate, urmată de delaminarea acestora în nanomembrane monocristaline independente, pentru integrare eterogenă pe șabloane fotonică arbitrare. Metoda se bazează pe forțe van der Waals din pelicule 3D independente definite artificial — interacțiuni slabe în comparație cu legăturile chimice, care permit aderarea straturilor extrem de subțiri fără potrivirea atomică strictă impusă de creșterea cristalină convențională.
O bibliotecă largă de pelicule, acționând ca cărămizi Lego de proiectare, a fost integrată eterogen prin stivuire verticală sau îmbinare laterală, pentru a infuza funcționalități optice anterior inaccesibile — modulare electro-optică, izolare magneto-optică și fotodetecție cu bandă largă — în platforme fotonică consacrate precum siliciul și nitrura de siliciu.
Titanatul de bariu monocristalin, un material feroelectric cu un puternic răspuns electro-optic liniar (Pockels), a fost transferat pe un cip fotonic de siliciu prefabricat. Prin controlul orientărilor cristalografice ale nanomembranelor de titanat de bariu de înaltă calitate într-un modulator Mach-Zehnder hibrid, cercetătorii au obținut un produs tensiune-lungime de undă de aproximativ 0,29 V·cm, corespunzând unui coeficient Pockels efectiv gigantic de aproximativ 950 pm/V, de peste 30 de ori mai mare decât materialele platformelor electro-optice consacrate, precum niobatul de litiu și tantalatul de litiu.
Un alt dispozitiv modulator Mach-Zehnder cu undă progresivă, optimizat separat, a atins o lățime de bandă electro-optică de 3 dB de peste 23 GHz, demonstrând că păstrarea calității cristaline înalte și controlul orientărilor domeniilor feroelectrice ale titanatului de bariu sub formă de peliculă subțire pot oferi atât eficiență ridicată, cât și operare la viteză mare, cu compromisuri minime.
În plus, folosind epitaxia la distanță și decuplarea epitaxială, nanomembranele monocristaline de arseniură de galiu și nitrură de galiu au fost integrate prin forțe van der Waals pe fotonica de nitrură de siliciu, extinzând intervalul de fotodetecție de la ultraviolet apropiat la infraroșu apropiat.
Peliculile subțiri monocristaline de ferită de cobalt au fost, de asemenea, integrate eterogen cu rezonatoare inelare de siliciu. Membrana de ferită de cobalt a produs un coeficient de rotație Faraday extras gigantic de aproximativ 33.800 de grade pe centimetru ca material magneto-optic, permițând transmisia optică nereciprocă pe cip, cu un raport de extincție de peste 18 dB. Magnetizarea feritei de cobalt poate persista după îndepărtarea magneților externi.
În cele din urmă, pentru a ilustra gradul înalt de libertate în asamblarea fizică a diferitelor straturi 3D funcționale, similar construcției heterostructurilor van der Waals 2D, cercetătorii au stivuit vertical nanomembrane de titanat de bariu și ferită de cobalt deasupra unui singur rezonator inelar de siliciu. Structura hibridă rezultată a putut ajusta lumina electric și magnetic în același dispozitiv multifuncțional, demonstrând cum strategia de integrare van der Waals pentru pelicule 3D poate combina funcții dificil de obținut într-o singură platformă fotonică consacrată.
Studiul a demonstrat un cadru larg pentru sinteza și integrarea nanomembranelor independente, de la bucăți la scară de laborator până la titanat de bariu la scară de wafer de 1 inch, cu interfețe atomic ascuțite și legare robustă după tratament termic. Aceste rezultate poziționează platforma van der Waals ca o rută viabilă către integrarea fotonică eterogenă multifuncțională, cu aplicații potențiale în comunicații optice, senzori, calcul fotonic, stocare de date și tehnologii cuantice.
