范德瓦尔斯集成允许新型异质集成光子器件和灵活的光学应用

如今，电子和光子设备在智能手机、计算机、光源、传感器和通信中无处不在。为了支撑对光电应用的需求，功能材料必不可少。例如，逻辑计算和光子集成电路(PIC)需要硅;III-V族半导体(例如GaAs、InP、AlN等)用于光电、发光和光电检测应用;压电材料用于致动器和传感器。

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Sang-HoonBae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，以用于新型光电应用。

功能材料和光学结构的异构集成对于构建高性能集成光电系统和研究纳米光子现象的理想平台至关重要。传统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退化或仅形成外延岛，从而大大降低光学材料的本征性能。

然而，范德华(vdW)集成利用孤立的独立构建块，不受适用于外延的晶格匹配约束的影响。这种低能量的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，它们也可以像2D材料一样制成超薄、灵活和独立的。因此，最近通过光子vdW集成在光学和光电应用方面取得了令人兴奋的进展。

在我们最近发表在NatureReviewsMaterials上的论文中，我们与Cheng-WeiQiu教授(新加坡国立大学)、LanYang教授(WUSTL)、Jin-WookLee教授(成均馆大学)、YangYang教授(加州大学洛杉矶分校)和其他国际合作者。除了2D材料，我们还总结了目前可用的3D独立纳米膜。还概述了从薄膜准备到设备实施的详细指南。

由于功能性3D纳米膜的可用材料库比2D材料广泛得多，因此我们预见了范德瓦尔斯集成超越2D材料的新兴机会：具有光学增益、压电、电学等典型功能的高质量3D薄膜-光学和磁光材料等可以转移到光子结构中，以制作新型设备和应用的原型。

在本文中，我们还概述了混合维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观点的灵活且生物兼容的光电应用的有希望的机会。我们还回顾了薄膜光子学和光子vdW集成领域的可扩展纳米膜制造和转移等关键技术挑战。

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