撰稿|由课题组供稿（钟鸿坤、孟鸢）
近年来，光子集成电路和纳米光子学在光通信、人工智能、量子技术、成像、传感和显示等诸多领域已经取得了诸多重要的进展。将具有特定光学功能的二维材料（two-dimensional material）集成到光子结构中对于构建高性能的集成光电子系统和研究纳米光学的各类应用是至关重要的 [1]。但是，传统功能性材料的集成方法依赖于异质外延生长，受到晶格匹配和工艺兼容性等诸多苛刻条件的约束，大大限制了光子学中异质集成的进一步发展 [2]。相比之下，二维材料具有天然的范德华（van der Waals）分界面，其材料层与衬底之间并没有一对一的化学键结合，这使得它们非常容易进行转移、混合并与其他多种不同的材料平台或光子结构进行灵活的集成。
针对近年来已涌现的种类繁多的基于二维范德华材料的微纳光学器件，来自清华大学、美国华盛顿大学圣路易斯分校（WUSTL）的研究团队和在英国皇家化学学会（RSC）旗下国际期刊《Nanoscale Horizons》上发表了以“Functionalize nanophotonic structures with 2D van der Waals materials”为题的封面综述文章（Back Cover paper）。该综述总结了由二维范德华材料驱动的纳米光子学应用领域的最新进展，讨论了二维材料可实现为传统纳米光学结构引入新功能、增强器件性能、实现多功能可重构应用等方面的关键问题 [3]，并强调通过二维范德华材料与传统光学结构相结合所带来的挑战与全新机遇。
来自清华大学的肖起榕副教授、与美国华盛顿大学圣路易斯分校的Sang-Hoon Bae助理教授为论文的共同通讯作者，博士后：孟鸢（WUSTL）、博士研究生：钟鸿坤（清华）、徐志昊（WUSTL）为论文的共同第一作者。合著作者还包括清华大学的巩马理教授、博士研究生何田田，以及英国南安普顿大学的申艺杰博士后（现新加坡南洋理工大学）等。
自石墨烯问世以来，在过去十几年中二维材料以其独特的光电特性引起了研究者的广泛关注。包括石墨烯、过渡金属二硫化物（TMDs）、二维碳化物和氮化物（MXenes）、六方氮化硼（h-BN）以及准二维卤化物钙钛矿（quasi-2D perovskites）等在内的新材料，构成了一个庞大的二维材料家族，拥有丰富的带隙值，其工作波段能够涵盖从紫外到甚至微波波段，同时一些材料如黑磷、准二维卤化物钙钛矿等能够通过改变原子层的层数实现对带隙大小的控制。图1(a)给出了上述几种材料的典型带隙大小。作为天然的层状材料，这些材料之间存在着层间范德华（van der Waals）相互作用，因此能够剥离成原子单层，从而展现出不同于块状材料的光电性质。
图1. 二维范德华材料的分类及其与各类纳米光学结构的耦合。
由于加工的实际限制，与传统功能性材料相结合的光子结构通常缺乏可重构性和多功能性。具有原子层厚度的二维范德华材料集成（van der Waals integration）突破了异质外延的集成方法，极大地扩展了可集成材料的种类和异质结合的可能组合，为已有的光子结构带来了新的机遇 [1-4]。同时，通过利用具有高品质因数的光学微腔或谐振器，还可以显著增强光与范德华材料之间的相互作用。二维材料的独特范德华表面使其在转移和与各种现成的光子结构混合时更加便利，具有极高的自由度，可用于实现光学增益、调制、传感或等离子体介质等各种应用。图1(b)按照二维材料集成的光学结构进行了大致的分类，包括微腔、光子晶体、纳米线、波导、光纤以及超表面等，并且总结了在这些结构中纳米光学结构主要影响的光学性质。图2则给出了基于二维材料与上述光学结构结合催生的新型光电子器件，其中包括光探测器、微腔激光器、可调谐光频梳、光纤偏振器等。
图2. 基于二维材料与纳米光学结构相耦合的多种光电子器件应用。
尽管范德华材料在二维光子学器件方面取得了可喜的进展[1, 2]，但仍有一些问题亟待解决。虽然机械剥离的方法能够制备高质量的样品，但是其尺寸小、形状不规则的缺点难以满足未来工业化的需求。采用液相剥离方法能够显著降低生产成本，然而在质量和尺寸上却难以满足多种实际需求，找到一种新型的制备方法同时兼顾生产成本和生产质量无疑是让二维材料走出实验室走向实际应用的关键[5]。
此外，原子层级别的厚度极大地限制了二维范德华材料的电磁波相互作用。为克服这一缺陷，使用远程外延(remote epitaxy)或范德华外延(van der Waals epitaxy)技术[6]，可以实现除二维材料之外的三维自由支撑的纳米薄膜（3D van der Waals films）。通过将这类新型的三维纳米薄膜与二维材料以及纳米光学结构相结合，可拓展实现基于新型范德华材料的光子集成电路（图3a）、混合异质结构中的奇异纳米光子和激子物理（图3b）、柔性可穿戴或可植入的光电生物传感器（图3c）、以及垂直三维集成电路系统（图3d）等领域的进一步应用。
图3. 对二维材料光学范德华集成的机遇总结与展望。
Yuan Meng†, Hongkun Zhong†, Zhihao Xu†, et al. Functionalize nanophotonic structures with 2D van der Waals materials. Nanoscale Horizons (2023).
Link: https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2023/NH/D3NH00246B
DOI: 10.1039/D3NH00246B
参考文献
[1] Y. Meng, et al. Photonic van der Waals integration from 2D materials to 3D nanomembranes. Nature Reviews Materials, 8, 498–517 (2023).
[2] Y. Liu, et al. Van der Waals integration before and beyond two-dimensional materials. Nature,567, 323–333 (2019).
[3] Z Dai, et al, Artificial meta-photonics born naturally in two dimensions. Chemical Reviews 120, 6197-6246 (2020).
[4] Integration of bulk materials with two-dimensional materials for physical coupling and applications. Nature Materials 18 (6), 550-560(2019).
[5] K. Kim, et al. Non-epitaxial single-crystal 2D material growth by geometric confinement. Nature 614, 88–94 (2023).
[6] H. Kim, et al. Graphene nanopattern as a universal epitaxy platform for single-crystal membrane production and defect reduction. Nature Nanotechnology, 17, 1054–1059 (2022).
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