研究背景

石墨烯基光电器件因其高带宽、易集成等优势，在硅基光子学中展现出广阔前景。然而，石墨烯作为单原子层材料，其光电性能极易受到界面态和介质中悬挂键等环境因素的影响，导致器件性能退化。尤其是在依赖电学调制的石墨烯电光调制器中，界面散射中心会增加光吸收、降低调制效率与带宽。尽管已有研究尝试通过六方氮化硼封装等方式保护界面，但对于大面积化学气相沉积石墨烯而言，如何在标准工艺中保持其本征性能仍是一大挑战。因此，开发一种能够实现高质量界面、适用于量产的石墨烯介质集成方案具有重要意义。

研究内容

在此工作中，联合研发团队采用双石墨烯层电容器构型，中间为Sb2O3/Al2O3混合介质，石墨烯电吸收调制器的器件结构如下图1a所示。该设计通过Sb2O3界面层形成范德华接触，有效抑制了界面散射。图1b进一步仿真了不同EOT和迁移率条件下的3 dB带宽，结果表明高迁移率可显著提升带宽性能。插图中的等效电路模型指出，石墨烯的薄层电阻与接触电阻共同影响高频响应，为器件优化提供了电路层面的指导。

图1 器件结构与带宽仿真示意图

图2 动态光电性能与数据传输测试

图2a、b分别为带宽与数据速率测试的实验装置示意图。图2c显示，采用Sb2O3/Al2O3混合介质的调制器3 dB带宽高达35 GHz，远优于单一介质器件（6 GHz）。图2d展示了在20、25和30 Gbit/s速率下的眼图，表明器件在高速调制下仍保持良好的信号完整性，每比特能耗约为100 fJ，性能与国际先进的锗硅与铌酸锂调制器相当。

该研究通过引入Sb2O3/Al2O3混合介质结构，成功在CVD石墨烯上构建了高质量的范德华界面，显著提升了电光调制器的综合性能。该界面工程不仅保留了石墨烯的高迁移率与低载流子浓度，更在实验中实现了1.6倍的调制效率提升与5.8倍的带宽拓展，最高调制速率达30   Gbit/s。研究还系统探讨了介质EOT对效率-带宽权衡的影响，为后续器件优化提供了明确方向。该成果不仅展示了一种适用于石墨烯光电器件的理想介质方案，也凸显了界面控制在高性能、可规模化光电集成系统中的关键作用，为未来高速、低功耗光子芯片的发展奠定了材料与工艺基础。

王兴军教授、彭海琳教授、舒浩文研究员、尹建波研究员为该文的通讯作者，博士生武钦慈、博士后钱君、博士生邢露文是该文的共同第一作者。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委等机构和项目的资助，并得到了北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室仪器平台、北京大学电子学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室的支持。该研究为石墨烯光电器件提供了一种极具潜力的介质集成方案。该文章以“High-Speed Electro-Optic Modulator Based on Chemical-Vapor-Deposited Graphene with van der Waals Hybrid Dielectric”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。

论文原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202517865