Small：基于LNOI薄膜的可见光-中红外的宽波段自驱动光电探测器

撰稿|由课题组供稿

最近，山东大学物理学院陈峰教授团队利用载能离子束技术对铌酸锂薄膜的光学和电学性能进行改性，实现了基于LNOI薄膜的可见光-中红外的宽波段自驱动光电探测器。相关成果以“Self-powered lithium niobate thin-film photodetectors”为题发表于《Small》上，该文章被精选为本期的卷首封面（Front cover）。山东大学孙晓莉博士为该项工作的第一作者，山东大学贾曰辰教授和陈峰教授为论文的通讯作者。本工作得到了包括国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。

铌酸锂单晶薄膜（lithium-niobate-on-insulator, LNOI）技术具有独特的高性能、低损耗、高灵活度等特点。随着晶片键合技术日臻成熟，铌酸锂薄膜已经成功实现了商业化，给铌酸锂光学器件甚至整个集成光子学和光信息网络行业带来了前所未有的机遇，其天然的多功能光学性能也正不断激发着多功能集成光子芯片的前沿技术革新，是“铌酸锂谷”的主要支撑基础材料。目前，LNOI薄膜已应用于激光产生、频率梳、电光调制器等多种片上光子学器件；然而，作为全功能光子电路中重要的一环，LNOI在薄膜光电探测器中的应用鲜有报道。低电导率和弱光吸收，导致铌酸锂在光电转换方面的应用还具有非常大的挑战。

研究团队利用离子注入技术在铌酸锂内部引入适量Ag离子以及缺陷空位，同时在近表面处形成嵌入式金属Ag纳米颗粒，解决了铌酸锂中低电导率和弱光吸收的关键问题。用473 nm连续激光激发，在内建电场作用下，实现了纳安量级的光电流产生。

图1.（a） LNOI光电探测器示意图；（b）光电流面扫图；（c）本征LNOI（未离子注入改性）的I-T曲线；图1（a）标记的（d）位置1，（e）位置2，（f）位置3处，I-T曲线。

对铌酸锂薄膜施加30 V高压，连续测量500个周期，光电流信号没有下降，表明Ag离子改性后的铌酸锂薄膜能够长时间承受较高的外加偏压。由于Ag纳米颗粒嵌入在铌酸锂内部，不与空气直接接触，因此离子改性后的铌酸锂具有非常好的环境稳定性。

图2.（a）30V偏压下，100个周期内光电流的变化；（b）30V偏压时的I-T曲线；（c）铌酸锂薄膜在空气中放置180天后的光电流变化。

得益于Ag离子的掺入以及金属纳米颗粒强烈的局域表面等离激元效应，铌酸锂薄膜的光吸收谱得到有效拓宽，LNOI探测器表现出明显的宽带响应特征，在473 nm-1900 nm都出现了稳态光伏电流，随激发波长变大，热释电效应占主导作用。

图3. 激发波长分别为（a）520 nm，（b）637 nm,（c）980 nm,（d）1342 nm,（e）1550 nm, （f）1900 nm时，铌酸锂探测器的I-T曲线；（g）光电流随波长的变化；（h）热释电电流随波长的变化。

该工作提出并演示了一种基于增强光伏效应的自驱动宽带LNOI光伏探测器。在局域表面等离激元效应和波导光限域效应作用下，铌酸锂薄膜的线性光吸收得到有效增强，响应带宽也得到拓宽，证明了缺陷以及金属纳米颗粒对铌酸锂调控作用的可能性。该工作促进了LNOI平台在多功能集成光子学领域的应用，为片上集成光电器件的发展提供了新思路、新方法。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202203532