如今，電子和光子器件已經在智能手機、計算機、光源、傳感器和通信設備等應用中無處不在。為了支撐光電子應用需求，各種功能材料必不可少。例如，邏輯計算和光子集成電路（PIC）需要硅；光電、發光和光電檢測應用需要III-V族半導體材料（例如GaAs、InP等）；而壓電材料（例如AlN、PZT等）則廣泛應用于執行器和傳感器。

用于光子范德華集成的獨立2D和3D納米膜

然而，采用單一材料平臺實現所有需要的功能，將有助于多功能多用途光子和光電子系統的開發。因此，異質集成平臺吸引了學術界和工業界的極大興趣。據麥姆斯咨詢報道，為了解決這一需求，美國圣路易斯華盛頓大學（Washington University in St. Louis）Sang-Hoon Bae教授領導的研究小組嘗試將先進的材料外延和層轉移技術用于新型光電應用。

功能材料和光學結構的異質集成，對于構建高性能集成光電子系統和研究納米光子現象的理想平臺至關重要。這方面的傳統方案需要依賴異質外延，并且需要晶格匹配和工藝兼容性。當外延層和襯底之間的晶格常數相差超過幾個百分點時，生長的薄膜可能會因多晶相而劣化或者只形成外延島，從而大大降低光學材料的本征性能。

利用獨立構建塊的范德華（vdW）集成不受外延中應用的晶格匹配約束。這種低能量物理組裝方法最初應用于2D材料，因為它在構建vdW異質結構方面具有很高的靈活性。先進2D材料輔助外延和層剝離技術的最新進展，為光子學工程師提供了許多單晶3D納米膜，它們也可以像2D材料一樣超薄、柔性且獨立。因此，近來通過光子vdW集成在光學和光電子應用領域取得了令人興奮的進展。

光子vdW集成應用的獨立納米膜前景

Sang-Hoon Bae教授及其合作研究團隊近期在Nature Reviews Materials期刊上發表了一篇題為“Photonic van der Waals integration from 2D materials to 3D nanomembranes”的論文，介紹了從2D材料到3D納米膜的光子vdW集成的最新進展。除了2D材料，研究人員還總結了目前可用的3D獨立納米膜，概述了從薄膜制備到器件實現的詳細指引。

由于功能性3D納米膜的可用材料庫比2D材料的材料庫廣泛得多，因此，研究人員預見了vdW集成超越2D材料的新興機遇：具有光學增益、壓電、電光和磁光材料等典型功能的高質量3D薄膜，可以轉移到光子結構中以制作新型器件及應用的原型。

在論文中，研究人員還概述了混合維vdW異質結構，基于新型異質集成布局的先進高性能光子器件，以及基于當前判斷的柔性、生物兼容光電應用前景。研究人員還綜述了薄膜光子學和光子vdW集成領域的可擴展納米膜制造及轉移等關鍵技術挑戰。

審核編輯：劉清