科学研究 - 日本开发出可在硅芯片上运行的石墨烯高速发光元件

在日本JST战略性创造研究推进事业中，庆应义塾大学理工学部物理信息工学科副教授牧英之等人组成的研发小组，开发出了在硅芯片上运行的高速石墨烯发光元件。该发小组还用此次开发的光元件实施了光通信实验，同时还新发现了可以高速改变（高速调制）光信号开关的机制。本研究位牧英之副教授等人与九州大学全球创新中心的吾乡浩树教授共同实施。

牧英之的研发小组采用可以在纳米级别进行控制的碳材料石墨烯作材料，成功开发出了可以直接在硅芯片上形成的超小型新式发光元件。实验证实，这种发光元件尽管是黑体辐射，但能以响应时间为100ps（100亿分之1秒，调制速度相当于10GHz）的超高速度进行调制，而且这种高速调制性是通过量子热传导实现的。另外，研发小组还采用该发光元件实际进行了光通信演示，证实可以通过化学气相沉积（CVD）法实现阵列元件，在空气环境下也能动作。

作为能在硅芯片上集成的高速、超小型光源，这种发光元件有望应用于光互连和硅光子等高集成光技术。

相关研究成果已发表在2018年3月29日（英国时间）发行的国际科学杂志《自然通讯》（Nature Communications）上。

＜研究内容＞

研发小组采用新材料石墨烯，在硅芯片上实现了“超小型”、“超高速”的发光元件（图1）。

实验显示，虽然该元件在通电加热后会黑体辐射发光，但能实现最高10GHz（响应时间100ps：100亿分之1秒）的超高速调制（图2）。这个速度与以往采用金属丝的黑体辐射光源（响应速度约为100Hz）相比，可以达到后者100万倍以上。

在本研究中，研发小组查明了这种超高速调制的原理，发现其高速调制性是通过石墨烯元件的量子热传导实现的。这种量子热传导与普通的热传导不同，石墨烯传导载体的能量远程传递至SiO2基板的表面极性声子，而且声子作为波在基板表面传播现象中占主导地位。

另外，此次的研究还利用化学气相沉积法（CVD法）制作了大面积石墨烯膜，并成功地大量排列了石墨烯发光元件，通过在这种石墨烯发光元件的表面形成保护膜（Cap层），可以防止其与氧气发生反应对石墨烯造成损伤，由此，发光元件可以在空气环境中工作。此外，利用接收光信号并将其转换为电信号的元件（光接收器）实施的光通信演示也获得了成功。