澳科大團隊在Nature Communications發表論文 為下一代光電芯片篩選關鍵納米材料與技術
隨著傳統芯片性能逼近物理極限，科學家正尋找以光子替代電子的新一代資訊載體。然而，光波波長通常遠大于納米芯片結構，如何把光壓縮到片上尺度，成為光電芯片發展的核心瓶頸。近日，澳門科技大學澳門材料科學與工程研究院（MIMSE）助理教授歐清東，與新加坡國立大學教授Cheng-Wei Qiu、教授Kostya S. Novoselov、澳大利亞莫納什大學教授Stefan A. Maier團隊等多所國際頂尖機構合作，在 Nature Communications 發表題為“Two-dimensional metal oxide polaritonics”的重要綜述論文，為下一代光電芯片篩選關鍵納米材料與技術。
Nature Communications 發表論文
我們每天用的手機、電腦，依靠的是電子在芯片中跑來跑去傳遞信息；但科學家一直在思考，能不能用光來代替電子——光的傳播速度比電子快得多，能耗也更低。然而，要實現光芯片面臨一個根本難題：光很難被「壓縮」到納米尺度的芯片上，因為光波的波長通常比芯片上的電路大得多，就像用一根粗水管往細針眼裡注水。近年來，科學家發現了一種有可能的解決辦法：讓光與材料中的原子振動或電子運動混合在一起，形成一種既像光又像物質的混合粒子——極化激元；這種粒子既保留了光的傳播速度，又繼承了物質的小尺寸特性，可以將光壓縮到納米尺度。
過去十幾年，科學家主要研究的是石墨烯等少數幾種二維材料中的極化激元。但澳科大團隊注意到，還有一個龐大的材料家族並沒有得到應有的重視——二維金屬氧化物。金屬氧化物在我們的生活中無處不在——沙子（二氧化硅）、藍寶石（氧化鋁）、半導體芯片中的氧化鉿……它們種類繁多、儲量豐富、性能各異。但長期以來，科學家主要把它們當做絕緣體或半導體來用，很少關注它們在「操控光」方面的潛力。
在該綜述文章中，團隊系統梳理了數十種二維金屬氧化物的光學特性。他們發現，從高對稱性的立方晶體到低對稱性的三斜晶系，金屬氧化物家族幾乎覆蓋了從可見光到太赫茲的整個光譜範圍，為不同類型的極化激元提供了豐富的材料庫。
金屬氧化物極化激元的元素周期表
文章進一步總結了幾種讓光「聽話」的實用招數——比如把兩層材料扭轉一個角度、像疊積木一樣把不同材料堆在一起、在材料表面刻上納米尺度的花紋，或是透過溫度變化來切換材料的狀態。這些方法就像給光裝上了方向盤和開關，讓科學家能更靈活地操控光在芯片上的傳播路徑。最後描繪了一個令人期待的未來圖景：基於二維金屬氧化物的極化激元納米器件，未來可以集成到光電芯片上，用於高效散熱、光學計算和生物檢測等領域。
極化激元集成電路
自2022年9月加入澳科大以來，在MIMSE平台與院長李述湯院士的支持下，歐清東研究團隊逐漸在極化激元光子學與光電器件研究領域形成鮮明特色，圍繞納米光子學、二維材料與器件、光電器件集成等領域取得系列突破進展。近2年，以通訊作者身份在 Nature Photonics、Nature Synthesis、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials等國際權威期刊發表高水平SCI論文20餘篇，形成了從基礎光學物理到光電器件技術的二維納米材料交叉研究體系。課題組合作網絡覆蓋美國、歐洲、澳大利亞、新加坡、巴西等國家和地區，並與莫納什大學、新加坡國立大學等國際知名高校和科研機構建立了長期穩定的合作研究體系。
該論文的第一作者為澳門科技大學博士生鍾港。通訊作者為澳門科技大學歐清東助理教授、新加坡國立大學Cheng-Wei Qiu教授、Kostya S. Novoselov 教授、澳大利亞莫納什大學Stefan Maier 教授。本工作由澳門科學技術發展基金（0065/2023/AFJ、0131/2025/RIA2、0004/2025/RDP）、國家自然科學基金（52402166）、廣東省自然科學基金（2025A1515011120）等項目資金資助。
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