暨南大学团队打造高性能非线性探测器，为近红外探测提供新可能

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 /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。

（来源：Laser & ）

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。