近日，暨南大學盧惠輝教授，關賀元教授和楊鐵鋒副教授團隊提出了將鐵電材料LiNbO3的偏振敏感特性和半導體MoS2的強光與物質相互作用結合起來的異質集成策略，實現了寬帶、偏振敏感和自驅動的高性能光探測，為基于LiNbO3的高性能光電探測提供了一種可行的思路。相關成果以題為“Broadband, Polarization-Sensitive, and Self-Powered High-Performance Photodetection of Hetero-Integrated MoS2on Lithium Niobate”發表在Research上。

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研究背景

高性能光電探測器在各種領域中具有巨大的應用潛力，例如光通信、光學成像、醫療診斷和環境監測。近年來，二維材料特別是層狀過渡金屬硫族化合物（TMDCs）因其優異的光電性能在集成光電探測器領域受到廣泛關注。其中MoS2具有較弱的暗電流、高穩定性、可調節的帶隙、高載流子遷移率和在可見光波段具有強的光吸收的特點，代表著最可靠的、具有優異光電特性的二維層狀半導體，常被用于構建光電探測器、場效應晶體管和突觸晶體管等光電器件。然而傳統的MoS2探測器通常需要額外的工作電壓來驅動光生載流子的定向運動來形成光電流，并且探測波段受到半導體帶隙的限制，且MoS2固有的各向同性使該類器件的偏振靈敏特性可忽略不計，這些都阻礙了MoS2光電探測器向低功耗、寬帶和偏振靈敏的方向發展。

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研究進展

該團隊構思并構建了MoS2/ LiNbO3異質結光電探測器（圖1），以有效地克服上述挑戰。LiNbO3是一種性能優異的鐵電晶體，具有高熱釋電系數、強光折變效應、寬透光范圍和高居里溫度的優點，目前已廣泛應用于光源、調制器、光頻梳等集成光電器件中。MoS2/ LiNbO3光電探測器受到光照后LiNbO3的局部溫度升高，導致自發極化強度降低，鐵電極化對LiNbO3表面電荷的束縛能力減弱，因此空穴和電子沿z方向兩側注入MoS2溝道，從而調制溝道中載流子的分布并形成內部電場，驅動光生載流子定向移動，實現了自驅動的快速光響應（≈ 20 ms/40 ms）以及高開關比（≈ 190）（圖2）。

圖1 MoS2/ LiNbO3異質集成光電探測器件結構示意圖和材料表征

圖2 自驅動模式下原始LiNbO3和MoS2/ LiNbO3光電探測器的光致開關特性

同時，得益于LiNbO3在寬波段內的熱釋電效應，MoS2帶隙對探測范圍的限制被打破，從而將探測器的響應帶寬拓展到365-1064 nm（圖3）。另一方面，MoS2的高載流子遷移率使其可以作為LiNbO3襯底的導電溝道，并且MoS2良好的光吸收率增強了器件整體的光與物質相互作用，有效彌補了原始LiNbO3器件低導電性和較大帶隙的絕緣體特性。MoS2/ LiNbO3異質集成使兩種材料的優勢得到充分的互補與利用，有助于提高整個異質結器件的綜合性能，使器件獲得了高的靈敏度（R = 17.3 A W-1，D*= 4.3×1011Jones，EQE = 4645.78%）（圖3），并取得了快速的光響應（≈ 150 μs/250 μs）（圖4），彰顯了MoS2/LiNbO3異質結器件優異的光電探測能力。

圖3 MoS2/ LiNbO3異質集成光電探測器件的光響應特性

圖4 MoS2/ LiNbO3異質集成光電探測器件的光致開關特性

更有趣的是，鐵電晶體LiNbO3由于其各向異性的晶體排列而對偏振光敏感。受到激光照射后，LiNbO3晶體中電荷會發生空間分離，由此產生的內部電場可實現對折射率的調制，這種光折變效應使得各向異性LiNbO3具有偏振敏感特性，具有偏振角依賴性的熱釋電電荷會注入MoS2通道，從而將偏振探測能力遺傳到異質結探測器上，使器件在自驅動模式下獲得高達7.42的二向色性比（圖5）。

圖5 LiNbO3誘導MoS2/ LiNbO3光電探測器偏振響應示意圖

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未來展望

MoS2/LiNbO3異質結光電探測器不需要高能離子注入或表面量子點修飾等復雜的加工手段，而是通過PDMS輔助干法轉移工藝將機械剝離的MoS2薄膜與LiNbO3異襯底完成范德華異質集成，從而實現自發極化材料LiNbO3異的熱釋電特性和半導體MoS2優異的光電性能的結合。該項工作進一步探究了鐵電晶體對提高光電微納器件探測性能所起的作用，是一種獲得兼具成本效益和高性能的寬帶偏振靈敏光電探測器的可行策略。