氧化石墨烯薄膜在集成光学器件中的应用

氧化石墨烯块体材料的人工合成最早在1859年由牛津大学科学家Brodie实现。自从2004年单层石墨烯合成引发二维材料的研究井喷式增长以来，二维氧化石墨烯薄膜的研究也随之广泛开展。和石墨烯相比，氧化石墨烯材料结构中除了含有正六边形的碳环外，还有许多的含氧官能团如羟基（-OH）、羧基（-COOH）及碳氧双键（=O）。这些含氧官能团的比例可以通过物理或者化学方法进行调节，从而进一步调节氧化石墨烯的材料带隙和性质。此外，氧化石墨烯的合成可以在溶液中进行，这使得其合成相较于其他二维材料的化学气相沉积合成更加简便，适合大规模的器件制备和工业开发。因氧化石墨烯薄膜具有以上优异的特性，迅速引起了科研工作者们的关注，被广泛应用到于太阳能电池、水净化、传感器、显示成像，造纸，光学非线性及DNA检测等诸多领域。

图1. 石墨烯和氧化石墨烯的对比

从工业开发和器件制备角度，尽管二维材料成为科研热点，但是大多数二维材料受限于合成方法的制约，只能通过机械转移的方法引入微纳尺度的集成器件，这使得其很难在器件层级实现材料厚度和尺寸的精确控制，从而大大限制了其在实际工程中的应用。相较于其他二维材料，氧化石墨烯的制备可以利用自组装的方法实现了氧化石墨烯薄膜在硅和二氧化硅衬底上的大面积、高均匀性沉积。该沉积方法可以实现单层氧化石墨烯薄膜（厚度约2 nm）的逐层沉积，从而实现对厚度的精确控制。在此基础上，结合半导体器件中的标准光刻和剥离制备工艺可实现其尺寸和位置的精确控制。此外，通过调节氧化石墨烯中含氧官能团的数量，可以调节材料的化学，电学及光学性质，进而满足实际应用中的不同需求。

斯威本科技大学团队总结归纳了近年来氧化石墨烯薄膜在集成光学器件中的应用，首先总结对比了氧化石墨烯和石墨烯的光学特性，包括线性光学性质和非线性光学性质。然后，详细介绍了氧化石墨烯的化学合成和片上集成制备，并介绍了多种调控含氧官能团的方法。在此基础上，分类总结了含有氧化石墨烯薄膜的集成光学器件，包括太阳能吸收器、光学透镜、全息显示、起偏器、传感器、克尔光学非线性器件、饱和吸收光学器件、发光二极管、光电探测器等。最后，对氧化石墨烯薄膜在集成光学器件中未来的发展方向进行了展望。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，斯威本科技大学讲师吴佳旸博士为该论文的第一作者，斯威本科技大学贾宝华教授和David Moss教授为共同通讯作者。

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Graphene oxide for integrated photonics and flat optics

Jiayang Wu, Linnan Jia, Yuning Zhang, Yang Qu, Baohua Jia, David. J. Moss

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202006415