基本介紹
背景,定義,分類,套用,
背景
功能材料與光子結構的異構集成不僅支撐了廣泛的光學和光電子器件套用，而且為研究新型異質結構中的納米光子物理現象提供了理想的平台。基於矽和氮化矽的集成光電子學已在信息處理、光通信、顯示、成像、與生物感測等諸多領域取得了豐碩的成果，但是單一的光學材料平台已越發的難以滿足信息社會對高速、寬頻、多功能、可重構光電子器件的要求。因此，多種功能型光學材料的異構集成（hetero-integration）的新型平台已在近年來吸引了學術界和工業界的廣泛關注。
近年來，基於III-V族（例如砷化鎵GaAs和磷化銦InP等）的半導體材料，在雷射器和探測器等領域展現出了優異的性能；基於薄膜鈮酸鋰（LiNbO3）的集成光學平台，近期在電光器件、聲光器件、以及非線性光學領域大放異彩；基於石榴石類晶體（YAG, YIG）的磁光材料可實現非互易的光傳輸，基於金屬鹵化物鈣鈦礦（perovskites）的薄膜材料在有源光器件和激子物理等領域也具有諸多突出優勢。如果可以將這些不同類型的功能型光學材料有序的集成在同一個光學平台上，則可以實現諸多創紀錄的高性能光電子器件並探索多功能的光學套用。
但遺憾的是，傳統的異構集成方法依賴於異質外延生長（heteroepitaxy），受限於嚴格的晶格匹配（lattice matching）、生長溫度以及工藝兼容性等要求。為了獲得高品質的單晶的外延層薄膜，生長的材料通常需要具有與襯底具有相同的晶體結構，並且它們的晶格參數的差異不一般不能幾個百分點；否則的話，多晶態和缺陷一般將會產生，從而使所獲得的光學薄膜的特性出現大幅度的劣化。上述條件則極大的限制了當下可實現的異構集成的材料組合，使得在單個光電子集成晶片（photonic integrated chip）上集成多種功能不同且晶格結構迥異的功能型光學材料成為了一個亟待解決的國際難題。而光學的范德華集成（van der Waals integration）策略則不受上述條件的制約。
圖1：用於異構集成的2D與3D范德華光學薄膜。
定義
分類
若按照維度來劃分，用於光學范德華集成的納米薄膜可以分為二維（2D）材料與三維（3D）材料；若按照功能來劃分，光學薄膜又可以分為光學增益材料（如GaAs，GaN，InP等）、電光材料（如KTP晶體， LiNbO3， BaTiO3，SrTiO3等）、磁光材料（如摻雜的YAG，YIG等）、壓電材料（如AlN，GaN，PMN-PT等）、光伏材料（Si，Ge，GaAs等）等。這些晶體結構各異、功能多樣的薄膜材料可以與各類經過人工設計的光學結構（例如介質光波導、超構波導、光纖、諧振微腔、光子晶體、超表面等）相耦合，進而設計多種光電器件與套用（圖2）。
圖2：光學范德華薄膜的基本特性與分類。
套用
如圖3所示，功能多樣、種類豐富的三維光學薄膜可以實現從集成光學到量子光學、柔性光學、非線性光學等各式各樣的新型高性能光學套用。並且與絕大部分二維材料不同的是，一般的二維材料其突出的的光電特性一般只在單層或少數單原子層時才能展現，而隨著二維材料厚度的增加，一般其能帶結構和光學參數都會發生顯著的變化；但是三維的光學薄膜則不同，他們由傳統的材料加工而成，隨著厚度的變化，其光電參數一般不會發生明顯的改變。不同於厚度極薄的二維材料，這些三維材料的厚度從幾十納米到幾微米（甚至更厚）是可以設計的。因此，這類三維的光學薄膜更適合用於需要較長或較強的光—物質相互作用的場合，例如光調製、探測、雷射器、光放大、與感測等領域。
圖3：三維光學范德華薄膜的套用。
