近日，暨南大学团队打造出一款高性能的非线性探测器。在极低辐照之下，其光响应度达到 17402A/W，光电流达到 570μA，线性动态范围达到 152dB，性能位居层状半导体集成探测器的前列。
这一成果标志着利用铁电薄膜与二维半导体的异质集成来构建高性能光电器件迈出了实质性步伐，为近红外探测提供了新的可能，尤其在克服强光致盲问题上具有巨大潜力。
在医学领域，它能被用于提高医学影像设备的性能，借此可以改善疾病诊断和治疗过程中对于光电探测器的要求，具体来说其能被用于光学相干断层扫描等方面。
在自动驾驶领域，它能被用于改善夜晚驾驶时对于环境和道路的成像效果，从而极大提升驾驶安全。
在环境监测领域，它能被用于改善光电探测器在强光条件下对于环境中光信号的捕获和分析，从而提高监测系统的稳定性和准确性。
“光进光出”
过去近十年间，由关贺元教授、杨铁锋副教授和卢惠辉教授领衔的暨南大学光波导混合集成与微纳器件研究团队，一直专注于开发高性能的片上光子集成器件，包括开发光波导、探测器、电光调制和高质量光源等器件。
经过多年的积累，他们逐渐凝练并形成了异质混合集成的研究策略。
即基于有着“光学硅”之称的铌酸锂平台，通过将铌酸锂与微结构、超表面、层状半导体等异质单元进行混合集成。
通过彼此之间的优势互补，构建高性能的光电子器件，以满足高速发展的信息时代对于集成算力的迫切需求。
在光电传感领域，他们在 2021 年开始尝试将铁电铌酸锂与层状石墨烯进行集成。
借此发现石墨烯可以很好地弥补铌酸锂绝缘体的不足，从而能够提升电荷的输运能力。
同时，铌酸锂的热释电效应，可以针对石墨烯实现非对称掺杂，再通过引入 p-n 同质结可以获得具备宽波段、低功耗和高响应度的器件 [1]。
在此基础之上，课题组采用 n 型的层状半导体硫化钨，基于其位于可见波段的带隙，结合热释电特性构建了 n-/n+同质结，借此提高了器件的光电流。
而在暗态之下，由于极化强度的恢复可以帮助束缚剩余载流子从而降低能够暗电流，凭借此该团队也获得了铌酸锂探测器中的最高开关比性能 [2]。
此外，他们还发现结构上非对称的铌酸锂具有偏振敏感特性，与层状硫化钼加以集成之后，可以大幅提升光电流的偏振二向色性比 [3]。
进一步地，课题组基于热释电效应在硫酸三苷肽上实现了手性探测 [4]。并基于层状材料优异的超薄厚度和大比表面特性，开发了多功能人工突触器件 [5]。
研究人员表示，当将铁电铌酸锂与层状材料异质集成之后，能够带来低功耗、宽波段、多功能等诸多优势。
而且范德华集成工艺简单，能够兼容大规模的阵列化集成，不仅可以解决铌酸锂因本征绝缘和弱吸收带来的探测难题，还有助于铌酸锂光子的集成。
同时，还给光电探测领域带来了新机遇，即有望基于这一体系开发兼具光电效应和热效应优点的感知器件 [6]。
基于此，该团队开始思考这样一个问题：铁电体有着丰富的物理效应，但是人们之前主要研究热释电效应，并未将铁电体的优势完全挖掘出来。
例如，铁电体中普遍存在结构非对称特性，也就是说其具有非线性的效应。那么，这一效应能否用于解决光电探测领域的问题？
据课题组介绍：光电探测器是应用十分广泛的一类器件。在以往的研究之中，人们主要致力于追求高光电转换性能，比如追求高光响应度和大线性动态范围等。
然而，这也会带来一些问题。具体来说，光响应度——是衡量光电转化能力的一个最为直观的指标。对于常规的探测器来说，它们往往呈现出如下特性：即随着光功率的逐渐增大，它的光响应度会逐渐减小。
这是因为：在弱光之下，探测器的光生载流子散射作用比较弱，所以其转换效率就比较高，这也是绝大多数研究人员过分追求弱光下的极致响应的原因。
然而，在强光下探测器也会存在一些问题：它在强光之下的载流子散射作用非常强。并且，由于饱和吸收效应的存在，会导致其转换效率非常的弱。
但是，在正常的光辐照和强光作用之下，例如在正午的阳光照射之下，当人们使用手机对着太阳拍照，通常无法拍摄清楚，事实上这便是“强光致盲”的现象。
又比如，夜晚在道路上与对向车辆会车，如果对方开了远光灯，那么就很容易让司机眼睛出现短暂致盲，从而带来危险。
基于此，研究人员发现在光电探测器领域，依旧存在这样一个问题：即人们过度追求弱光下的极致光电响应，但其实强光工况下的表现同样重要。
而之所以存在研究不足的原因，是因为常规探测器的光电响应机理比较局限，尤其在强光之下没有可靠的转换机制。为此，该团队决定开始关注器件在强光下的性能。
通过一番调研，课题组发现：二次谐波产生具有非常好的物理效应。在强光辐照之下，其物理机制能被适用于光与物质的相互作用。
于是，他们设想：将二次谐波产生效应引入到光电探测器里，能否解决强光致盲的问题？
再后来，他们发现：对于二次谐波产生的来说，它一般是通过脉冲激光入射，再通过一个庞大的光谱仪收集光谱，然后以“光进光出”的形式去工作。但是，这会限制它的集成度。
因此，课题组提出这样一个设想：能否利用强光之下的二次谐波效应，去解决强光致盲问题？
同时，能否以“光进电出”这样更加简洁的方式，来通过电提取的方式去让器件实现工作？基于上述思考，他们开展了本次研究。
试过多种方法，也曾更换多家材料供应商
该团队表示：本次课题的核心思路在于通过一种比较简洁的器件制作方法，来构建铁电钛酸钡和二硫化钼的异质结。
然后，利用铁电钛酸钡的局域场，来调控二硫化钼的导电特性。同时，在器件中引入钛酸钡的非线性效应，借此实现近红外的上转换。
对于倍频光来说，它会再次被二硫化钼吸收，从而能够产生光电流，进而能够获得高性能的非线性探测器件。
基于此，他们首先选择钛酸钡进行电场传感方面的测试。
起初，他们尝试将钛酸钡结合光纤传感技术，以用于解决电场传感的一些问题。后来，他们又尝试将光纤微环、以及叉指电极微结构结合钛酸钡进行测试。
但是，由于微环制作过程无法实现流程化，而手工制作又会导致每次制作的微环效果各不相同，进而导致微环测试的性能不稳定。
后来，他们又利用叉指电极微结构结合钛酸钡开展测试，并参考了其他学者的一篇论文 [7]。
然而，由于实验设备的局限性，在实验复现时他们再次受阻。这也让课题组意识到，利用单一钛酸钡很难在短时间内实现电场传感。
于是，他们开始转向非线性探测。此前，该团队也一直在关注非线性，并发表过一些论文 [8]。
同时，他们还曾将铌酸锂与二维材料结合，在光电探测领域解决了铌酸锂探测难的问题。
因此，他们将本次课题加以重新定位：即能否利用铁电钛酸钡实现非线性探测，以便充分利用铁电的物理效应？
随后，他们将铁电钛酸钡和二硫化钼加以互补集成。并发现：对于结构不对称的钛酸钡来说，它不仅会产生二次谐波效应，而且它还具有铁电极化特性，所以对外场特别敏感，因此能够增强场调控。
但是，它也存在一定的局限性。通常情况下它都是作为一种介质存在，因此导电性非常差。
为了解决这一问题，该团队引入了异质结的概念，即借助导电性良好的二硫化钼来弥补这一缺陷。
确定方案的可行性之后，课题组利用范德华集成的思路，将铁电与二维半导体加以结合，借此构建出一款异质结器件。
实验结果显示：本次器件不仅能在弱光下通过铁电极化提高光电转换效率，也能在强光下实现非线性光响应的高效电提取，非常有望解决强光致盲的问题。
事实上，在钛酸钡电场传感实验中，该团队曾在长达一年的时间内始终没有任何进展。
组里所有成员都很苦恼，也想过很多办法。比如，试过侧抛光纤，试过光纤微环，也试过叉指电极结构，甚至更换了好几家钛酸钡供应商。
然而，效果始终不尽人意。这时，他们决定放弃“光进光出”的方法，将钛酸钡/二硫化钼异质结朝着非线性探测的角度推进，最终取得了不错的结果。
并通过在电场下针对光电流进行测试，借此采集到了器件随电场的响应特性。“这让我们有一种柳暗花明又一村的感觉，令人十分兴奋和难忘。”担任论文共同通讯作者的杨铁锋副教授表示。
日前，相关论文以《二硫化钼/钛酸钡异质集成光电探测器中非线性响应的高效电提取和大线性动态范围实现》（Efficient Electrical Extraction of Nonlinear Response and Large Linear Dynamic Range Implementation in MoS2/BaTiO3Hetero-Integrated Photodetector）为题发在Laser & Photonics Reviews[9]。
暨南大学关贺元教授是第一作者，暨南大学卢惠辉教授和杨铁锋副教授担任共同通讯作者。
总的来说，通过本次工作他们将非线性效应成功地用于探测领域之中。
而由于铁电极化对于外场的调控非常敏感，因此目前他们也在尝试开展光写入和电擦除的器件应用，并正在结合卷积神经网络来探索图像识别和智能成像的应用。
参考资料：
1.Advanced Optical Materials, 2021 9(16), 2100245
2.Laser & Photonics Reviews,2023, 2300286
3.Research, 2023; 6: 0199.
4.Laser & Photonics Reviews, 2024, 2400527
5.Laser & Photonics Reviews, 2024, 18 (5), 2301129
6. 《人工晶体学报》，2024, 53 (3): 410-425
7.Adv. Optical Mater. 2020, 8, 2000623
8.Sci. China-Phys. Mech. Astron,2022, 65, 10;
9.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400445
运营/排版：何晨龙
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