范德华集成允许新颖的异质集成光子器件和灵活的光学应用

如今，电子和光子器件在智能手机、计算机、光源、传感器和通信中无处不在。为了支持光电应用的需求，功能材料是必不可少的。例如，逻辑计算和光子集成电路(PIC)需要硅;III-V族半导体(如GaAs、InP、AlN等)用于光电、发光和光探测应用;压电材料用于执行器和传感器。

然而，多功能和多功能光子和光电系统的开发将受益于使用单一材料平台实现所有必需的功能。因此，异构集成平台引起了学术界和工业界的极大兴趣。我们的研究小组(由WUSTL圣路易斯华盛顿大学的Sang-Hoon Bae教授领导)试图通过使用先进的材料外延和层转移技术来满足这一需求，用于新型光电应用。

功能材料和光学结构的异质集成对于构建高性能集成光电系统至关重要，也是研究纳米光子现象的理想平台。传统的方法依赖于异质外延，需要晶格匹配和工艺兼容性约束。当外延层和衬底之间的晶格常数相差超过几个百分点时，生长的薄膜会因多晶相而变质或仅形成外延岛，从而大大降低了光学材料的固有性能。

然而，范德华(vdW)集成利用隔离的独立式构建块，不受外延中应用的格匹配约束。这种低能量物理组装方法最初应用于二维材料，因为它在构建vdW异质结构方面具有很高的灵活性(见上图)。先进的2D材料辅助外延和层剥离技术的最新进展为光子工程师提供了许多单晶三维(3D)纳米膜，这些纳米膜也可以像2D材料一样制成超薄，柔性和独立式。因此，最近通过光子vdW集成在光学和光电应用中取得了令人兴奋的进展。

在我们最近发表在Nature Reviews Materials上的论文中，我们与Cheng-Wei Qiu教授(新加坡国立大学)，Lan Yang教授(WUSTL)，Jin-Wook Lee教授(成均馆大学)，Yang Yang教授(加州大学洛杉矶分校)和其他国际合作者一起，介绍了从2D材料到3D纳米膜的光子vdW集成的最新进展。除了2D材料，我们还总结了目前可用的3D独立式纳米膜。还概述了从薄膜制备到器件实现的详细指南。

由于功能性3D纳米膜的可用材料库比2D材料广泛得多，因此我们设想了范德华集成超越2D材料的新兴机会：具有模范德华功能的高质量3D薄膜，如光学增益，压电，电光和磁光材料等，可以转移到光子结构中，以原型化新颖的器件和应用。

在本文中，我们还概述了混合维度vdW异质结构，基于新型异质集成布局的先进高性能光子器件以及基于当前前景的灵活和生物相容性光电应用的前景。我们还回顾了关键技术挑战，例如薄膜光子学和光子vdW集成领域的可扩展纳米膜制造和转移。

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