利用二维热边界层实现相变材料的低能耗开关
光学
2022-02-11 v1 应用物理
摘要
相变材料（PCMs）的可开关光学和电学特性正在数据存储之外的可重构光子器件中找到新的应用。然而，需要高功率热脉冲将材料从晶态熔融淬火至非晶态。这在硅光子学中尤为突出，因为波导材料的高热导率使得加热 PCM 的能量效率低下。在此，我们通过在二氧化硅或硅与 PCM 之间插入一层二维（2D）材料（MoS₂ 或 WS₂）来提高激光诱导相变的能量效率。根据基底的不同，该二维材料在非晶化（RESET）过程中将所需激光功率降低了至少 40%。热学模拟证实，MoS₂ 和 WS₂ 二维层均充当了热障，有效地将能量限制在 PCM 层内。值得注意的是，该二维层的隔热效果等效于约 100 nm 厚的 SiO₂ 层。由范德瓦尔斯（vdW）键合层引起的高热边界电阻限制了通过层界面的热扩散。因此，具有稳定 vdW 界面的二维材料可用于提高 PCM 调谐硅光子器件的热效率。此外，我们的波导模拟表明，该二维层不影响硅波导中的传播模式，因此这一简单的附加薄膜在不降低波导光学性能的情况下，实现了显著的能效提升。我们的发现为基于 PCM 的可重构光子器件中实现节能的激光诱导结构相变铺平了道路。
引用
@article{arxiv.2202.04699,
title = {Low energy switching of phase change materials using a 2D thermal boundary layer},
author = {Jing Ning and Yunzheng Wang and Ting Yu Teo and Chung-Che Huang and Ioannis Zeimpekis and Katrina Morgan and Siew Lang Teo and Daniel W. Hewak and Michel Bosman and Robert E. Simpson},
journal= {arXiv preprint arXiv:2202.04699},
year = {2022}
}
备注
34 pages, 12 figures