【哈工大（深圳）宣】（材料科学与工程学院/文、图）近日，在国家自然科学基金、广东自然科学基金、深圳市科技计划以及香港研究资助局等项目支持下，哈工大（深圳）材料科学与工程学院徐成彦教授团队在二维材料片上光电集成器件方向取得重要突破。该项研究通过空间受限的化学气相传输法合成了具有优异非线性光学特性的新型二维半导体材料SnP2Se6，并将其与SiN光子芯片相结合，构建了基于SnP2Se6/SiN波导的片上混合光子器件，成功实现了通信波段的光调制和光探测的单片集成。该研究成果以“Two-dimensional semiconducting SnP2Se6 with giant second-harmonic-generation for monolithic on-chip electronic-photonic integration”为题发表于《自然•通讯》（Nature Communications）。

电子信息技术的快速发展对多功能、紧凑型、低功耗的电子光子集成技术提出了更高的要求。二维半导体材料由于其原子级的厚度、无悬挂键的表面、优异的光电性能以及非线性光学（NLO）特性，逐渐成为当前的研究热点之一。由于无需考虑传统的晶格失配问题，二维NLO半导体材料可以集成到片上硅光子芯片上，用于实现通信波段（1310-1550 nm）的光信号调制。通过将二维半导体的NLO特性与优异的光电特性相结合，有望实现片上电子与光子集成电路（EPIC）的单片集成。近年来，一系列具有出色NLO特性的二维材料在集成光子芯片中得到了实验验证，为新型光电子器件的设计提供了很好的基础。但是，在实际应用中，还面临一些挑战，例如在通信波段范围内如何实现高效的非线性光学调制和光电探测等。因此，需要在二维材料的选择、光子芯片的结构设计等方面进行深入研究，以提高器件的性能性，从而推动电子与光子集成电路的实际应用。

鉴于此，哈工大（深圳）材料科学与工程学院徐成彦教授、秦敬凯助理教授，电子与信息工程学院徐科教授联合香港理工大学柴扬教授报道了一种新型的二维层状半导体SnP2Se6，其在1550 nm波长下具有高的二次谐波（SHG）转化效率（约为1.3×10-9 m·V-1）。区别于传统的2H相过渡金属硫族化合物（TMDs），由于其无序的层间堆叠模式，SnP2Se6可在多层堆叠中保持中心反演对称性破缺，因此其SHG信号可随厚度的叠加而增强。此外，二维SnP2Se6展现出优异的电学和光电特性，基于二维SnP2Se6的光探测器在可见光下具有高达103 A·W-1的响应度以及412 μs的响应速度。利用二维SnP2Se6优异的非线性光学特性和光电转化能力，该团队将二维 SnP2Se6与SiN光子平台相结合，成功构建了基于SnP2Se6/SiN混合结构的片上原型器件，成功实现了通信波段的光调制和光探测的单片集成。本研究为实现片上多功能电子光子集成电路（EPIC）提供了一种新型的解决方案，同时也为开发新型的光电子器件和应用提供了新思路和新方向。

图1 | SiN/SnP2Se6混合结构的片上原型器件。（a）SiN波导的光学显微图像。（b）基于SiN/SnP2Se6混合结构的光子芯片的光学显微图像。WGpump和WGSHG表示用于耦合泵浦光和SHG的光栅耦合器。（c）通过光栅耦合器采集到的SHG光谱。插图为SHG强度与激发功率的关系。（d）片上光调制和光探测一体化器件示意图。（e）具备和不具备倍频调制的探测器器件的光响应。（f）不同转化后光功率下器件的时间-电流（I-t）曲线。（g）器件的电流-电压（I-V）曲线。插图为器件在不同转化后光功率与响应度的关系。

该论文第一作者为哈工大（深圳）博士生朱成义、张子萌，通讯作者为哈工大（深圳）秦敬凯助理教授、徐科教授、徐成彦教授和香港理工大学柴扬教授，哈工大（深圳）为论文第一单位。（审核：徐成彦）