柔性光子材料与器件的研究进展

叶羽婷

封面文章|叶羽婷,马辉,孙春雷,陈泽群,吴江宏,陈怡琦,罗邺,林宏焘,李兰. 柔性光子材料与器件的研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(3): 030001.

柔性光子技术，突破了硬质器件本征机械束缚，以一种崭新的形式极大拓展了柔性电子和传统光子器件的功能性，在通信、生物技术、多功能表皮传感等新兴领域都有广泛的应用前景。

然而要在柔性衬底上制备光子器件，存在加工难、机械柔韧性有限、集成化程度低等诸多挑战。为了实现机械性能和光学性能的最优化，柔性光子技术的发展需要综合考虑光学材料的最优选择、结构的精简稳固设计、低成本低难度工艺开发以及相关技术在器件上大规模多功能集成的可拓展性。

针对上述问题，西湖大学李兰教授课题组对柔性光子材料与器件方面取得的研究进展以及相关技术应用前景进行了总结和展望。

柔性光子器件制备材料

聚合物具有良好的机械柔韧性、电绝缘性、光透明性和稳定性，是柔性光电器件衬底材料的不二选择。此外，聚合物还可以作为核心光学材料，制备光波导、滤波器、激光器等光子器件单元。虽然聚合物在柔性光子领域应用广泛，但也受到一定的限制，如材料折射率小，导致器件结构尺寸偏大，难以实现高密度集成，在较小弯曲半径下表现出明显的光学损耗等。

正因如此，越来越多的团队致力于开发基于折射率更大，光学、电学性质更佳，且化学、热稳定性更好的半导体、玻璃、氧化物等无机光学材料的柔性器件。

考虑到弯曲引起的表面应力与材料厚度呈正相关，高性能硬质无机光学材料的机械柔韧性可以通过减小其厚度来增强。对于单晶半导体材料，通过剥离或者转移法得到的半导体纳米膜（NMs）通常可以维持单晶材料的高载流子迁移率和光学性能，是制备高性能柔性有源光电器件的首要选择。

威斯康星大学麦迪逊分校Zhengqiang Ma团队和德克萨斯大学阿灵顿分校Weidong Zhou团队用转移法制备了基于硅（Si）、锗（Ge）、III-V族等半导体薄膜的高性能柔性光电探测器、光电二极管、光学开关等器件。

无机非晶材料与单晶材料相比，在加工和集成过程中有明显优势，并且可以在不受晶格匹配约束的聚合物衬底上直接生长。多层垂直集成光子结构也可以很容易地通过多个顺序沉积和微纳加工步骤来实现。

目前用来制备光子器件的无机非晶材料包括非晶硅（a-Si）、氮化硅（Si3N4）、氧化物（如TiO2）、玻璃等。硫系玻璃材料在红外波段具有宽透明波段窗口、高可调折射率、化学稳定性、能低温沉积等特点，在器件制备方面具有很大的应用潜力。

麻省理工学院 Juejun Hu团队利用硫系玻璃材料在近室温条件下的有机聚合物基板上直接沉积和加工，实现了首个单模可弯曲、可折叠、可拉伸光子器件。

此外，低维纳米材料也因其独特的电学、光学、热学和力学特性而受到广泛关注，是开发新一代柔性微纳光电子器件的重要材料选择。

柔性光子器件结构设计

无论是柔性聚合物，硬性半导体薄膜或是脆性玻璃只能承受一定程度范围内的机械应力。因此，需要从器件结构设计考虑，确保器件在大变形（小半径弯曲、拉伸、对折、扭曲）下所受拉伸或者压缩最小化，最大程度维持光子材料性能和器件功能。多中性面结构、蜿蜒结构、分立结构、局部硬化处理等常用于提高光子器件的机械弯曲和拉伸性能。

多中性面结构设计实现器件可弯曲性

在多层膜简单弯曲的情况下，可以构建一个“中性面”来实现器件所受应力、应变最小化。这里的中性面是指没有受到应力的平面。

然而光子器件不能简单采取这个方案来实现器件的柔韧性。应变为零的中性面通常在多层薄膜中间部分，光子器件单元如果处于聚合物薄膜深处，光波导倏逝波穿透深度有限，难以与外部环境相互作用，这大大限制了光子器件单元间的耦合和其生物化学传感功能的发挥。另外，柔性聚合物衬底是热的不良导体，厚聚合物包层会阻碍有源光子器件散热进而影响器件光电性能。要实现更大程度上的小半径弯曲而比不影响器件光电性能发挥，就必须要把光学器件层放在中性面位置且同时尽量靠近衬底表面。

2014年麻省理工学院Juejun Hu团队和德克萨斯州大学奥斯汀分校Nanshu Lu团队合作，首次提出了多中性面理论，可用于指导制备实现亚毫米弯曲半径的超柔性光子器件。在多层膜中引入了一层具有低杨氏模量(~MPa)的弹性聚合物层，弯曲的时候，该弹性体层会发生大的剪切变形，可以降低位于其上下层有高杨氏模量（~GPa）的聚合物层中的应变，如图1（a）所示。采用这种机械设计制备了基于硫系玻璃、TiO2、InGaAs的各种光波导、谐振腔、探测器等器件，展示了近乎可以折叠的高品质光子器件（弯曲半径0.25 mm），如图1（b）所示。

蜿蜒、分立结构设计实现器件可拉伸性

实现器件可拉伸性一般采用两种方法。