导读 

薄膜钽酸锂(Thin-film lithium tantalate, TFLT)是新一代高性能光子芯片的理想平台。然而，其自身固有的绝缘特性和透明窗口导致难以实现高效的片上光电转换功能。近日，山东大学研究团队提出了一种“畴壁-超表面协同设计”的全新范式，在钽酸锂光子芯片上原位构建了集导电网络与光操控结构于一体的新型光电功能单元，实现了无需外部电源、具备波长选择性的高效光电探测。

相关成果以“Encoding functional nanocircuits into ferroelectric photonics”为题发表于Advanced Photonics 。山东大学陈峰教授、贾曰辰教授、鲁宁研究员为论文共同通讯作者，山东大学物理学院博士研究生王焯群为论文第一作者。德国弗莱堡大学Karsten Buse教授，南开大学刘洪亮教授，山东大学孙晓莉教授、杨再兴教授、谭杨教授、苏文斌教授对本工作提供了重要支持。

研究背景

集成光子芯片被认为是下一代信息技术的重要载体。在众多材料体系中，钽酸锂(LT)凭借其从紫外到中红外的宽透明窗口、高二阶非线性系数和优异的电光特性被视为构建高性能光子芯片的理想平台。然而，LT本身是一种宽带隙绝缘体，叠加透明窗口的影响，使其本征的光电转化和传输能力极弱。研究人员已经提出了与半导体材料或二维材料异质集成、离子辐照引入等离激元等方式实现光电探测功能。如何在保持LT优异光学品质的前提下，实现单片集成的高效光电转化功能，仍然是亟待解决的关键问题。

研究亮点

传统的光子芯片通常需要分布完成结构制备与功能导入。研究团队创新性地利用聚焦离子束(FIB)技术，通过离子束与材料的相互作用，在加工光学超表面的同时写入了由导电畴壁构成的纳米电路，实现了结构制备和功能写入的同步完成。这一方法简化了器件制备流程，为光子芯片的功能化集成提供了全新的技术路径。研究团队通过实验表征和理论计算证实了畴结构的存在，并排除了离子掺杂导致导电提示的可能性。

LT本身是优良的绝缘体，其本征电导率极低。研究团队通过在材料内部诱导可控的局域极化反转，从而在原本绝缘的钽酸锂薄膜中构建了周期性的导电畴壁网络。该网络的宏观电导率不再由材料本身决定，而是可以通过设计超表面的几何尺寸（如周期、占空比等）进行灵活调控。实验表明，通过优化几何参数，该导电网络的电阻率可低至约2.6×10-4Ω·m，实现了从传统“随机掺杂”到“精准几何编程”的跨越。随后，研究团队通过PFM表征了器件内极化方向的分布，并通过DFT计算排除了Ga掺杂对导电提升的贡献，进一步确定了带电畴壁的核心作用。

图1 带电畴壁网络的制备及表征计算。（a）超表面制造工艺示意图。（b）所制备的超表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。（c）超表面区域的能量色散X射线光谱（EDS）元素图。（d）超表面区域的平面外压电响应力显微镜（PFM）相位图像。（e）基于密度泛函理论（DFT）的掺杂Ga的LT的能带结构计算。

该工作最核心的设计在于，导电畴壁网络与光学超表面在空间上实现了精准重合。光学超表面在特定波长（785 nm）处激发导模共振，产生强烈的局域光场；而导电畴壁恰好位于这一光场增强的区域内，即纳米孔的底部边缘。这种“光学热点”与“电学通道”在纳米尺度上的空间重合，使得光生载流子能够被原位、高效地收集，从而在无需外部电源的条件下实现自驱动工作模式，从根本上解决了传统光电探测中“光产生”与“电收集”空间分离的效率瓶颈。实验表明，在谐振波长的照射下，探测器可以产生稳定的光电流，这一机制与本征LT的热释电效应有本质上的区别。

图2 光学超表面与导电网络的共振和空间重合。（a）超表面共振驱动光电探测示意图。（b）785nm附近的元表面的模拟和测量的反射光谱。（c）COMSOL仿真超表面在785nm激光照射下的电场分布。（d）与未处理的TFLT基板相比，超表面的自供电785nm光电流响应。

基于上述协同设计理念，该器件在自驱动模式下展现出优异的综合性能。其响应速度达约160 μs，开关比高达920，在设计的785 nm波长处响应度达到0.84 A/W，同时具备从可见光到近红外（473–1900 nm）的宽谱探测能力。更重要的是，最佳响应波长并非材料的固定属性，而是可以通过设计超表面的几何参数进行灵活调节。这种按需定制的能力，意味着同一个平台可以通过简单的结构设计服务于不同的波长需求，为未来多功能、可重构光子集成芯片的研发开辟了全新路径。

图3 畴壁超表面光电探测器的光电性能表征。（a）不同光功率密度下785nm的自供电光电流。（b）785nm下自供电光电流响应的上升和下降时间。（c）在施加偏压的不同功率密度下，785nm激光照射下的电流。（d）–（f）宽带（473至1900 nm）光响应：（d）自供电光电流，（e）响应度和探测率，以及（f）上升和下降时间。

总结与展望

该研究证实了畴壁可作为可编程功能元件，在绝缘铁电材料中直接编写光电功能，实现了从被动结构到主动功能的范式转变。这一策略有望拓展至其他铁电体系，并结合并行化制备工艺，为新一代集成光子芯片的发展提供新的材料与器件思路。