中国青年学者一作，一张纳米膜，发了一篇Nature！

一张单晶纳米膜，撬动硅光集成的未来

硅（Si）和氮化硅（SiN）已经成为集成光子学最成熟的材料平台之一，但它们并非“全能选手”：硅本身缺乏强线性电光效应，也难以同时承担磁光隔离、发光和宽光谱探测等功能。一个自然的思路，是把钛酸钡、磁性氧化物、III-V族半导体等功能材料集成到硅光芯片上。然而，不同材料之间往往存在严重的晶格失配，直接异质外延容易产生大量缺陷，进而牺牲材料本征性能。如何摆脱晶格匹配限制，又把高质量单晶材料“搬”到任意光子芯片上，一直是异质光子集成的重要挑战。

近日，华盛顿大学圣路易斯分校Sang-Hoon Bae教授和Lan Yang教授提出一种基于自由支撑单晶纳米膜的光子范德华集成框架：先在最适合的母衬底上长出高质量单晶薄膜，再把薄膜完整剥离，像“功能积木”一样转移到已经加工好的Si或SiN光子芯片上。利用这一方法，研究人员分别实现了高效电光调制、磁光隔离、紫外至近红外光探测，并进一步把不同单晶纳米膜横向拼接或纵向堆叠，在同一器件中实现多种光学功能。相关成果以“Heterogeneous photonic integration of single-crystalline nanomembranes”为题发表在Nature上，Yuan Meng, Wenbo Mao, Zhihao Xu, Di Jia为共同第一作者。

传统异质外延最大的麻烦，在于材料必须尽可能“合得来”。研究团队的思路则是先把“生长”和“集成”分开：BTO、CFO、YIG、GaN和GaAs等材料先在适合自身生长的衬底上获得高结晶质量，再通过二维材料辅助层转移（2DLT）或外延剥离（ELO）释放成自由支撑纳米膜，最后转移到目标光子平台上（图1a-c）。这样一来，原本受晶格失配限制的材料组合，就可以通过物理组装重新组合。更重要的是，这些纳米膜并不局限于简单的上下堆叠。研究人员既可以将不同材料横向拼接，也可以进行纵向堆叠，甚至调节层间转角（图1d）。X射线衍射和电子背散射衍射结果表明，剥离后的BTO、CFO、YIG、GaN和GaAs仍保持良好的单晶特征（图1e-g）。换句话说，这种方法真正保留下来的，不只是“薄膜”本身，更是材料原本优异的晶体质量。

图1： 单晶功能纳米膜的制备与光子范德华集成框架。通过二维材料辅助层转移和外延剥离获得BTO、CFO、YIG、GaN和GaAs自由支撑单晶薄膜，并通过横向拼接或纵向堆叠集成到Si和SiN光子平台。

首先登场的是电光材料钛酸钡BTO。BTO拥有非常强的Pockels效应，但过去直接集成到硅上时，晶体质量和晶向往往难以兼顾。研究团队制备了具有明确a轴畴取向的单晶BTO纳米膜，其表面均方根粗糙度低于0.2 nm（图2a-c），随后将其转移到Si微环和Mach-Zehnder调制器上。转移后的界面均匀、光学损耗增量较低，说明这种物理组装并没有明显破坏原有光子器件（图2d-e）。在经过晶向优化和极化后，BTO的优势被真正释放出来。研究人员在4.5 mm长的Mach-Zehnder调制器中测得半波电压仅0.65 V，对应的 VπL约为0.29 V·cm（图2f-h）；由实验反推出有效Pockels系数约950 pm V⁻¹，进一步估算得到BTO的r42超过1,290 pm V⁻¹，约为典型铌酸锂材料的40倍。通过重新设计行波电极和器件结构，高速器件进一步实现了超过23 GHz的3 dB电光带宽（图2i-k），证明这种纳米膜集成并非只能用于低速概念验证，也具有高速光通信器件的潜力。

图2： 单晶BTO纳米膜集成Si光子器件后的高效电光调制性能。BTO保持良好晶体取向和界面质量，实现VπL约0.29 V·cm、r42超过1,290 pm V⁻¹，并获得超过23 GHz的电光带宽。

有了“可搬运”的单晶材料，光探测的波段也可以按需扩展。团队首先把GaAs单晶纳米膜转移到SiN波导上，形成波导耦合光探测器。高分辨透射电镜显示，GaAs与SiN之间形成了均匀界面，同时保留清晰的单晶晶格（图3a-b）。在780 nm下，器件的光响应度达到约0.30 A W⁻¹（图3c-g）。接下来，研究人员又将GaN引入同一平台（图3h-i）。由于GaAs和GaN带隙不同，两种材料可以负责不同波段。团队将两种单晶纳米膜横向集成在同一个SiN芯片上（图3j-l），最终在780 nm和520 nm获得基于GaAs的0.29和0.16 A W⁻¹响应度，并在405 nm获得基于GaN的17 mA W⁻¹响应度（图3m-n）。这相当于不再要求一种材料“从紫外看到红外”，而是让不同材料各司其职，再通过光子芯片把它们组合起来。

图3： GaAs和GaN单晶纳米膜集成SiN波导，实现从紫外到近红外的片上光探测，并展示不同III-V族材料横向拼接的可行性。

除了“调光”和“探光”，光子芯片还需要控制光传播方向。为此，研究团队选择了磁光材料钴铁氧体CFO。单晶CFO纳米膜不仅表面平整，而且具有明显的磁滞行为（图4a-b）。将其集成到Si微环后，在外磁场作用下，顺时针和逆时针传播的光出现明显非互易响应，消光比超过18 dB（图4c-e）。实验进一步得到CFO的Faraday旋转系数约 33,800° cm⁻¹，显著高于常用的YIG和Ce:YIG体系。CFO还有一个特殊优势：它属于硬磁性材料，磁化后即使撤去外部磁场仍可以保持磁性，因此有望实现无需持续外加磁场的片上光隔离器。更进一步，研究人员把CFO和BTO同时纵向堆叠在Si微环上，构建CFO/SiO₂/BTO多层异质结构（图4f-g）。这样，一个器件同时具备BTO带来的电光调制和CFO带来的磁光调制能力（图4h-k）。实验中，器件既能随电压改变谐振波长，也能通过改变磁场方向产生约5 pm的非互易波长移动，磁光消光比超过13 dB。这正体现了这种“功能积木”式集成最有吸引力的地方：不同材料不必相互妥协，而是把各自最擅长的功能组合在一起。

图4： CFO单晶纳米膜实现高效非互易磁光隔离，并与BTO纵向堆叠，在同一Si微环器件中同时实现电光调制与磁光调制。

从整体性能对比来看，这套方法的价值也不仅仅在于“材料种类多”。BTO器件在Pockels系数和调制效率方面处于很高水平，CFO在Faraday旋转与光损耗的综合性能上表现突出，而GaAs/GaN组合则把片上探测范围从紫外延伸到了近红外（图5a-d）。这些结果说明，自由支撑单晶纳米膜不仅能够解决“能不能集成”的问题，还能够尽可能保存材料接近块体单晶的本征性能。

图5： 本工作器件与现有电光材料、磁光材料及III-V族光探测器的性能对比，展示单晶纳米膜范德华集成在调制效率、磁光响应和宽光谱探测方面的综合优势。

小结

这项工作的核心意义，是将异质光子集成从“在同一块衬底上想办法把不同材料长出来”，转变为“先把最好的材料分别做好，再把它们组合起来”。研究人员已经证明，该方法可以从厘米级薄膜进一步扩展到英寸级BTO转移，同时支持横向拼接和纵向堆叠。未来，如果大面积转移、对准、界面控制和批量制造工艺进一步成熟，这类单晶纳米膜有望成为硅光平台上的通用“功能插件”，把电光、磁光、探测甚至发光等不同能力自由组合，为下一代多功能光电芯片提供新的材料和制造路线。