科學家研發非線性探測器，效能位居層狀半導體整合探測器前列

2024-09-22科學

近日，暨南大學團隊打造出一款高效能的非線性探測器。 在極低輻照之下，其光響應度達到 17402A/W，光電流達到 570μA，線性動態範圍達到 152dB，效能位居層狀半導體整合探測器的前列。

這一成果標誌著利用鐵電薄膜與二維半導體的異質整合來構建高效能光電器件邁出了實質性步伐，為近紅外探測提供了新的可能，尤其在克服強光致盲問題上具有巨大潛力。

在醫學領域，它能被用於提高醫學影像裝置的效能，借此可以改善疾病診斷和治療過程中對於光電探測器的要求，具體來說其能被用於光學相幹斷層掃描等方面。

在自動駕駛領域，它能被用於改善夜晚駕駛時對於環境和道路的成像效果，從而極大提升駕駛安全。

在環境監測領域，它能被用於改善光電探測器在強光條件下對於環境中光訊號的捕獲和分析，從而提高監測系統的穩定性和準確性。

「光進光出」

過去近十年間，由關賀元教授、楊鐵鋒副教授和盧惠輝教授領銜的暨南大學光導波混合整合與微納器件研究團隊，一直專註於開發高效能的片上光子整合器件，包括開發光導波、探測器、電光調變和高品質光源等器件。

經過多年的積累，他們逐漸凝練並形成了異質混合整合的研究策略。

即基於有著「光學矽」之稱的鈮酸鋰平台，透過將鈮酸鋰與微結構、超表面、層狀半導體等異質單元進行混合整合。

透過彼此之間的優勢互補，構建高效能的光電子器件，以滿足高速發展的資訊時代對於整合算力的迫切需求。

在光電傳感領域，他們在 2021 年開始嘗試將鐵電鈮酸鋰與層狀石墨烯進行整合。

借此發現石墨烯可以很好地彌補鈮酸鋰絕緣體的不足，從而能夠提升電荷的輸運能力。

同時，鈮酸鋰的熱釋電效應，可以針對石墨烯實作非對稱摻雜，再透過引入 p-n 同質結可以獲得具備寬波段、低功耗和高響應度的器件 [1]。

在此基礎之上，課題組采用 n 型的層狀半導體硫化鎢，基於其位於可見波段的帶隙，結合熱釋電特性構建了 n-/n+同質結，借此提高了器件的光電流。

而在暗態之下，由於極化強度的恢復可以幫助束縛剩余載流子從而降低能夠暗電流，憑借此該團隊也獲得了鈮酸鋰探測器中的最高開關比效能 [2]。

此外， 他們還發現結構上非對稱的鈮酸鋰具有偏振敏感特性，與層狀硫化鉬加以整合之後，可以大幅提升光電流的偏振二向色性比 [3]。

進一步地，課題組基於熱釋電效應在硫酸三苷肽上實作了手性探測 [4]。並基於層狀材料優異的超薄厚度和大比表面特性，開發了多功能人工突觸器件 [5]。

研究人員表示，當將鐵電鈮酸鋰與層狀材料異質整合之後，能夠帶來低功耗、寬波段、多功能等諸多優勢。

而且範德華整合工藝簡單，能夠相容大規模的陣列化整合，不僅可以解決鈮酸鋰因本征絕緣和弱吸收帶來的探測難題，還有助於鈮酸鋰光子的整合。

同時，還給光電探測領域帶來了新機遇，即有望基於這一體系開發兼具光電效應和熱效應優點的感知器件 [6]。

基於此，該團隊開始思考這樣一個問題：鐵電體有著豐富的物理效應，但是人們之前主要研究熱釋電效應，並未將鐵電體的優勢完全挖掘出來。

例如，鐵電體中普遍存在結構非對稱特性，也就是說其具有非線性的效應。那麽，這一效應能否用於解決光電探測領域的問題？

據課題組介紹：光電探測器是套用十分廣泛的一類器件。在以往的研究之中，人們主要致力於追求高光電轉換效能，比如追求高光響應度和大線性動態範圍等。

然而，這也會帶來一些問題。具體來說，光響應度——是衡量光電轉化能力的一個最為直觀的指標。對於常規的探測器來說，它們往往呈現出如下特性：即隨著光功率的逐漸增大，它的光響應度會逐漸減小。

這是因為：在弱光之下，探測器的光生載流子散射作用比較弱，所以其轉換效率就比較高，這也是絕大多數研究人員過分追求弱光下的極致響應的原因。

然而，在強光下探測器也會存在一些問題：它在強光之下的載流子散射作用非常強。並且，由於飽和吸收效應的存在，會導致其轉換效率非常的弱。

但是，在正常的光輻照和強光作用之下，例如在正午的陽光照射之下，當人們使用手機對著太陽拍照，通常無法拍攝清楚，事實上這便是「強光致盲」的現象。

又比如，夜晚在道路上與對向車輛會車，如果對方開了遠光燈，那麽就很容易讓司機眼睛出現短暫致盲，從而帶來危險。

基於此，研究人員發現在光電探測器領域，依舊存在這樣一個問題：即人們過度追求弱光下的極致光電響應，但其實強光工況下的表現同樣重要。

而之所以存在研究不足的原因，是因為常規探測器的光電響應機理比較局限，尤其在強光之下沒有可靠的轉換機制。為此，該團隊決定開始關註器件在強光下的效能。

透過一番調研，課題組發現：二次諧波產生具有非常好的物理效應。在強光輻照之下，其物理機制能被適用於光與物質的交互作用。

於是，他們設想：將二次諧波產生效應引入到光電探測器裏，能否解決強光致盲的問題？

再後來，他們發現：對於二次諧波產生的來說，它一般是透過脈沖雷射入射，再透過一個龐大的光譜儀收集光譜，然後以「光進光出」的形式去工作。但是，這會限制它的整合度。

因此，課題組提出這樣一個設想：能否利用強光之下的二次諧波效應，去解決強光致盲問題？

同時，能否以「光進電出」這樣更加簡潔的方式，來透過電提取的方式去讓器件實作工作？基於上述思考，他們開展了本次研究。

試過多種方法，也曾更換多家材料供應商

該團隊表示：本次課題的核心思路在於透過一種比較簡潔的器件制作方法，來構建鐵電鈦酸鋇和二硫化鉬的異質結。

然後，利用鐵電鈦酸鋇的局域場，來調控二硫化鉬的導電特性。同時，在器件中引入鈦酸鋇的非線性效應，借此實作近紅外的上轉換。

對於倍頻光來說，它會再次被二硫化鉬吸收，從而能夠產生光電流，進而能夠獲得高效能的非線性探測器件。

基於此，他們首先選擇鈦酸鋇進行電場傳感方面的測試。

起初，他們嘗試將鈦酸鋇結合光纖傳感技術，以用於解決電場傳感的一些問題。後來，他們又嘗試將光纖微環、以及叉指電極微結構結合鈦酸鋇進行測試。

但是，由於微環制作過程無法實作流程化，而手工制作又會導致每次制作的微環效果各不相同，進而導致微環測試的效能不穩定。

後來，他們又利用叉指電極微結構結合鈦酸鋇開展測試，並參考了其他學者的一篇論文 [7]。

然而，由於實驗裝置的局限性，在實驗復現時他們再次受阻。這也讓課題組意識到，利用單一鈦酸鋇很難在短時間內實作電場傳感。

於是，他們開始轉向非線性探測。此前，該團隊也一直在關註非線性，並行表過一些論文 [8]。

同時，他們還曾將鈮酸鋰與二維材料結合，在光電探測領域解決了鈮酸鋰探測難的問題。

因此，他們將本次課題加以重新定位：即能否利用鐵電鈦酸鋇實作非線性探測，以便充分利用鐵電的物理效應？

隨後，他們將鐵電鈦酸鋇和二硫化鉬加以互補整合。並行現：對於結構不對稱的鈦酸鋇來說，它不僅會產生二次諧波效應，而且它還具有鐵電極化特性，所以對外場特別敏感，因此能夠增強場調控。

但是，它也存在一定的局限性。通常情況下它都是作為一種介質存在，因此導電性非常差。

為了解決這一問題，該團隊引入了異質結的概念，即借助導電性良好的二硫化鉬來彌補這一缺陷。

確定方案的可行性之後，課題組利用範德華整合的思路，將鐵電與二維半導體加以結合，借此構建出一款異質結器件。

實驗結果顯示：本次器件不僅能在弱光下透過鐵電極化提高光電轉換效率，也能在強光下實作非線性光響應的高效電提取，非常有望解決強光致盲的問題。

事實上，在鈦酸鋇電場傳感實驗中，該團隊曾在長達一年的時間內始終沒有任何進展。

組裏所有成員都很苦惱，也想過很多辦法。比如，試過側拋光纖，試過光纖微環，也試過叉指電極結構，甚至更換了好幾家鈦酸鋇供應商。

然而，效果始終不盡人意。這時，他們決定放棄「光進光出」的方法，將鈦酸鋇/二硫化鉬異質結朝著非線性探測的角度推進，最終取得了不錯的結果。

並透過在電場下針對光電流進行測試，借此采集到了器件隨電場的響應特性。「這讓我們有一種柳暗花明又一村的感覺，令人十分興奮和難忘。」擔任論文共同通訊作者的楊鐵鋒副教授表示。

日前，相關論文以【二硫化鉬/鈦酸鋇異質整合光電探測器中非線性響應的高效電提取和大線性動態範圍實作】（Efficient Electrical Extraction of Nonlinear Response and Large Linear Dynamic Range Implementation in MoS2/BaTiO3Hetero-Integrated Photodetector）為題發在 Laser & Photonics Reviews [9]。