从石墨烯到过渡金属二硫化物 (TMDC) 等各类二维材料，在学术和商业层面都得到了越来越广泛的应用。此外，新的应用层出不穷，本文将探讨如何利用二维材料构建波导。

什么是二维材料？

二维材料是原子级薄的材料，理论上由单层原子组成，原子几乎总是以平面阵列排列。最著名的二维材料是石墨烯，但还有许多其他材料，包括仅由单一元素组成的材料，以及包含多种元素的材料。

二维材料通常是单层标准块体材料（例如，来自石墨的石墨烯），并且可以表现出许多量子效应；因为除了原子空间排列为二维之外，二维材料中的电子也被限制在二维范围内。二维材料因其优异的电子、物理和光学特性而闻名，尽管确切的效应因材料而异。

什么是波导？

顾名思义，波导是一种引导波的装置。它可以引导多种类型的波，包括光波、声波、电磁波和微波。波导的结构会根据需要传输的波的类型而有很大差异。最基本的波导是用于传输无线电波的空心导电金属管，其复杂性逐渐增加，直至用于光通信应用的光纤。为了展示波导的多样性，最古老、最基本的波导之一是一根绳子，用于在两个罐子或杯子之间传输声波。

波通常向所有方向传播，并受平方反比定律约束，即当波远离声源传播时，其强度与距声源距离的平方成反比。波导的主要功能是限制波并使其沿单一给定方向传播。这是为了确保波的能量不会在传输过程中损失。波导的壁也将波限制在特定区域内，使其不会偏离预定方向传播。

波导的几何形状也与其功能相关。常见的波导几何形状有三种：平板波导、光纤波导和带状波导。平板波导将能量限制在一个横向维度上，而光纤波导和带状波导则在两个横向方向上传输。传输波长的频率对波导的形状也有很大影响，波导的宽度需要与传输/导波的数量级相同。

如何利用二维材料构建波导

二维材料最常见的构造是光波导。许多复杂的波导需要具有特定传输特性的材料。二维材料拥有科学界已知的最佳载流子传输特性，许多材料能够双向传输载流子（尽管也有一些二维材料是单向的）。

此外，对于光波导而言，二维材料比三维块体材料具有更优异的光学和电学特性，这使得构建高效的波导成为可能。与块体材料不同，二维材料可以轻松集成到波导中，因为其平坦且无功能化的表面意味着没有悬挂的共价键与波导中的周围材料相互作用。

垂直异质结构也有可能被创建，而不会出现三维材料中常见的晶格失配问题。这是因为晶格常数不同的各个层之间仅通过范德华力进行微弱的结合。

二维材料也能与光发生强烈的相互作用，这使得它们非常适合用作光波导。在很多情况下，二维材料的费米能级也可以调整，从而帮助调制波导中的光。

目前许多二维波导都使用石墨烯、黑磷或过渡金属二羧酸 (TMDC)。这些材料通常用作光波导中的夹层材料，通过生长在硅光子层上，将二维材料与波导耦合，并集成到金属槽线波导、表面等离子体金属波导和介质波导中。此外，已知引入二维材料的光波导可用于实现太赫兹频段的技术。

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