Φωτοανιχνευτής λεπτής μεμβράνης νιοβικού λιθίου (LN)

Φωτοανιχνευτής λεπτής μεμβράνης νιοβικού λιθίου (LN)

Το νιοβικό λίθιο (LN) έχει μοναδική κρυσταλλική δομή και πλούσια φυσικά φαινόμενα, όπως μη γραμμικά φαινόμενα, ηλεκτροοπτικά φαινόμενα, πυροηλεκτρικά φαινόμενα και πιεζοηλεκτρικά φαινόμενα. Ταυτόχρονα, έχει τα πλεονεκτήματα του ευρυζωνικού οπτικού παραθύρου διαφάνειας και της μακροπρόθεσμης σταθερότητας. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν το LN μια σημαντική πλατφόρμα για τη νέα γενιά ολοκληρωμένης φωτονικής. Σε οπτικές συσκευές και οπτοηλεκτρονικά συστήματα, τα χαρακτηριστικά του LN μπορούν να παρέχουν πλούσιες λειτουργίες και απόδοση, προωθώντας την ανάπτυξη οπτικών επικοινωνιών, οπτικών υπολογιστών και οπτικών αισθητήρων. Ωστόσο, λόγω των ασθενών ιδιοτήτων απορρόφησης και μόνωσης του νιοβικού λιθίου, η ολοκληρωμένη εφαρμογή του νιοβικού λιθίου εξακολουθεί να αντιμετωπίζει το πρόβλημα της δύσκολης ανίχνευσης. Τα τελευταία χρόνια, οι αναφορές σε αυτόν τον τομέα περιλαμβάνουν κυρίως ενσωματωμένους φωτοανιχνευτές κυματοδηγού και φωτοανιχνευτές ετεροεπαφής.
Ο ενσωματωμένος φωτοανιχνευτής κυματοδηγού που βασίζεται στο νιοβικό λίθιο επικεντρώνεται συνήθως στην οπτική ζώνη επικοινωνίας C (1525-1565nm). Όσον αφορά τη λειτουργία, το LN παίζει κυρίως τον ρόλο των καθοδηγούμενων κυμάτων, ενώ η οπτοηλεκτρονική λειτουργία ανίχνευσης βασίζεται κυρίως σε ημιαγωγούς όπως το πυρίτιο, τους ημιαγωγούς στενού ενεργειακού χάσματος ομάδας III-V και τα δισδιάστατα υλικά. Σε μια τέτοια αρχιτεκτονική, το φως μεταδίδεται μέσω οπτικών κυματοδηγών νιοβικού λιθίου με χαμηλές απώλειες και στη συνέχεια απορροφάται από άλλα ημιαγωγικά υλικά με βάση φωτοηλεκτρικά φαινόμενα (όπως η φωτοαγωγιμότητα ή τα φωτοβολταϊκά φαινόμενα) για να αυξηθεί η συγκέντρωση φορέων και να μετατραπεί σε ηλεκτρικά σήματα για έξοδο. Τα πλεονεκτήματα είναι το υψηλό εύρος ζώνης λειτουργίας (~GHz), η χαμηλή τάση λειτουργίας, το μικρό μέγεθος και η συμβατότητα με την ενσωμάτωση φωτονικών τσιπ. Ωστόσο, λόγω του χωρικού διαχωρισμού του νιοβικού λιθίου και των ημιαγωγικών υλικών, αν και το καθένα εκτελεί τις δικές του λειτουργίες, το LN παίζει μόνο ρόλο στην καθοδήγηση κυμάτων και άλλες εξαιρετικές ξένες ιδιότητες δεν έχουν αξιοποιηθεί καλά. Τα ημιαγωγικά υλικά παίζουν μόνο ρόλο στη φωτοηλεκτρική μετατροπή και δεν έχουν συμπληρωματική σύζευξη μεταξύ τους, με αποτέλεσμα μια σχετικά περιορισμένη ζώνη λειτουργίας. Όσον αφορά την συγκεκριμένη εφαρμογή, η σύζευξη του φωτός από την πηγή φωτός στον οπτικό κυματοδηγό νιοβικού λιθίου έχει ως αποτέλεσμα σημαντικές απώλειες και αυστηρές απαιτήσεις διεργασίας. Επιπλέον, η πραγματική οπτική ισχύς του φωτός που ακτινοβολείται στο κανάλι της ημιαγωγικής συσκευής στην περιοχή σύζευξης είναι δύσκολο να βαθμονομηθεί, γεγονός που περιορίζει την απόδοση ανίχνευσής της.
Το παραδοσιακόφωτοανιχνευτέςΤα υλικά που χρησιμοποιούνται για εφαρμογές απεικόνισης συνήθως βασίζονται σε ημιαγωγικά υλικά. Επομένως, για το νιοβικό λίθιο, ο χαμηλός ρυθμός απορρόφησης φωτός και οι μονωτικές του ιδιότητες το καθιστούν αναμφίβολα μη ευνοϊκό από τους ερευνητές φωτοανιχνευτών, και μάλιστα ένα δύσκολο σημείο στον τομέα. Ωστόσο, η ανάπτυξη της τεχνολογίας ετεροεπαφής τα τελευταία χρόνια έχει φέρει ελπίδα στην έρευνα των φωτοανιχνευτών που βασίζονται στο νιοβικό λίθιο. Άλλα υλικά με ισχυρή απορρόφηση φωτός ή εξαιρετική αγωγιμότητα μπορούν να ενσωματωθούν ετερογενώς με το νιοβικό λίθιο για να αντισταθμίσουν τις αδυναμίες του. Ταυτόχρονα, τα πυροηλεκτρικά χαρακτηριστικά που προκαλούνται από την αυθόρμητη πόλωση του νιοβικού λιθίου λόγω της δομικής του ανισοτροπίας μπορούν να ελεγχθούν με μετατροπή σε θερμότητα υπό ακτινοβολία φωτός, αλλάζοντας έτσι τα πυροηλεκτρικά χαρακτηριστικά για την οπτοηλεκτρονική ανίχνευση. Αυτό το θερμικό φαινόμενο έχει τα πλεονεκτήματα της ευρείας ζώνης και της αυτοοδήγησης και μπορεί να συμπληρωθεί και να συγχωνευθεί με άλλα υλικά. Η σύγχρονη χρήση θερμικών και φωτοηλεκτρικών φαινομένων έχει ανοίξει μια νέα εποχή για τους φωτοανιχνευτές που βασίζονται στο νιοβικό λίθιο, επιτρέποντας στις συσκευές να συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα και των δύο φαινομένων. Και για να αντισταθμίσουν τις αδυναμίες και να επιτύχουν συμπληρωματική ενσωμάτωση πλεονεκτημάτων, αποτελεί ένα ερευνητικό hotspot τα τελευταία χρόνια. Επιπλέον, η χρήση της εμφύτευσης ιόντων, της μηχανικής ζωνών και της μηχανικής ελαττωμάτων είναι επίσης μια καλή επιλογή για την επίλυση της δυσκολίας ανίχνευσης του νιοβικού λιθίου. Ωστόσο, λόγω της υψηλής δυσκολίας επεξεργασίας του νιοβικού λιθίου, ο τομέας αυτός εξακολουθεί να αντιμετωπίζει μεγάλες προκλήσεις, όπως η χαμηλή ενσωμάτωση, οι συσκευές και τα συστήματα απεικόνισης συστοιχιών και η ανεπαρκής απόδοση, κάτι που έχει μεγάλη ερευνητική αξία και χώρο.

Σχήμα 1, χρησιμοποιώντας τις καταστάσεις ενέργειας ελαττωμάτων εντός του ενεργειακού χάσματος LN ως κέντρα δοτών ηλεκτρονίων, παράγονται ελεύθεροι φορείς φορτίου στη ζώνη αγωγιμότητας υπό διέγερση ορατού φωτός. Σε σύγκριση με προηγούμενους πυροηλεκτρικούς φωτοανιχνευτές LN, οι οποίοι συνήθως περιορίζονταν σε ταχύτητα απόκρισης περίπου 100Hz, αυτόΦωτοανιχνευτής LNέχει ταχύτερη ταχύτητα απόκρισης έως και 10kHz. Εν τω μεταξύ, σε αυτή την εργασία, αποδείχθηκε ότι το LN με πρόσμιξη ιόντων μαγνησίου μπορεί να επιτύχει διαμόρφωση εξωτερικού φωτός με απόκριση έως και 10kHz. Αυτή η εργασία προωθεί την έρευνα για υψηλής απόδοσης καιφωτοανιχνευτές LN υψηλής ταχύτηταςστην κατασκευή πλήρως λειτουργικών ενσωματωμένων φωτονικών τσιπ LN με ένα μόνο τσιπ.
Συνοπτικά, το ερευνητικό πεδίο τουφωτοανιχνευτές νιοβικού λιθίου λεπτής μεμβράνηςέχει σημαντική επιστημονική σημασία και τεράστιο δυναμικό πρακτικής εφαρμογής. Στο μέλλον, με την ανάπτυξη της τεχνολογίας και την εμβάθυνση της έρευνας, οι φωτοανιχνευτές λεπτής μεμβράνης νιοβικού λιθίου (LN) θα αναπτυχθούν προς υψηλότερη ολοκλήρωση. Ο συνδυασμός διαφορετικών μεθόδων ολοκλήρωσης για την επίτευξη φωτοανιχνευτών λεπτής μεμβράνης νιοβικού λιθίου υψηλής απόδοσης, γρήγορης απόκρισης και ευρείας ζώνης σε όλες τις πτυχές θα γίνει πραγματικότητα, γεγονός που θα προωθήσει σημαντικά την ανάπτυξη της ενσωμάτωσης σε τσιπ και των ευφυών πεδίων ανίχνευσης και θα προσφέρει περισσότερες δυνατότητες για τη νέα γενιά φωτονικών εφαρμογών.