近日，暨南大学物理与光电工程学院关贺元教授、杨铁锋副教授、卢惠辉教授领衔的光波导混合集成与微纳光电器件团队在异质混合集成光电器件领域取得了重大研究进展，并成功发表题为“Efficient Electrical Extraction of Nonlinear Response and Large Linear Dynamic Range Implementation in MoS₂/BaTiO₃Hetero-Integrated Photodetector”的学术论文。这一重要研究成果已被光学工程学科的高水平期刊Laser & Photonics Reviews（影响因子11.0）正式收录。

图1. 异质结器件结构和原理示意图

集成光电探测技术在众多领域应用广泛，然而，极端条件下探测器的可靠性问题日益凸显，弱光下表现优异，强光下则易饱和吸收，导致成像失真和“致盲效应”，并引发热效应和过流问题，加速老化。因此，如何在高效转换的同时提升极端条件下的稳定性和可靠性，成为当前研究的迫切需求。传统方法如减弱光强或增加自动增益控制虽能减轻致盲效应，但牺牲了器件的紧凑性。为解决这一难题，研究团队在前期关于混合集成实现高性能光电子器件的研究基础上，提出铁电BaTiO₃和层状半导体MoS₂异质混合集成策略，基于二次谐波产成（SHG）效应，显著提升了器件在可见光及近红外波段的光响应，弥补了单一材料的不足。优化后的器件在极低辐照下表现出高光响应度（17402 A/W），高光电流（570 μA）及超大线性动态范围（152 dB），性能位居层状半导体集成探测器前列。电场与光场协同调控实验结果揭示，BaTiO₃与MoS₂的互补作用是关键：BaTiO₃的极化强度对电场和光场均敏感，能提供调控MoS₂沟道的局域铁电场，调节其费米能级与电导率，进而增强电信号。此外，结构非对称的BaTiO₃可以基于SHG将强功率近红外光转换为可见波段，再被MoS₂层吸收并提升光电流。随着功率增强，光响应度先降后升，非线性光谱分析表明强光下响应度增加源于非线性上转换机制。这一发现为近红外探测提供了新的可能，尤其在克服强光致盲领域展现出巨大潜力。

图2. MoS₂/BaTiO₃器件的非线性上转换光探测特性

这一发现不仅为光电探测领域提供了新的解决思路，而且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已经迈出了实质性的步伐。

该研究得到了国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、国家重大专项、广东省自然科学杰出青年基金、广东省国际合作项目和暨南大学等项目大力支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202400445

图文：杨铁锋、刘俸利

校对：杨嘉琳

责任编辑：邓玉萌

初审：肖艳芳

复审：孙玉环

终审发布：黄睿