物理與光電工程學(xué)院關(guān)賀元/盧惠輝教授團(tuán)隊(duì)在鐵電異質(zhì)集成光電領(lǐng)域取得系列重要進(jìn)展
暨南大學(xué)融媒體中心訊 近日，暨南大學(xué)物理與光電工程學(xué)院（理工學(xué)院）光波導(dǎo)混合集成與微納光電器件團(tuán)隊(duì)在楊鐵鋒副教授、關(guān)賀元教授、盧惠輝教授聯(lián)合領(lǐng)銜下，持續(xù)發(fā)力光電子與神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域，相繼取得三項(xiàng)重要研究進(jìn)展，相關(guān)成果分別發(fā)表于光學(xué)工程權(quán)威期刊Laser&Photonics Reviews（影響因子10.0）及國(guó)家高起點(diǎn)新刊計(jì)劃“三類(lèi)高質(zhì)量論文”期刊Chip，彰顯了團(tuán)隊(duì)在光電異質(zhì)集成技術(shù)與器件領(lǐng)域的研究實(shí)力，為相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展提供了新思路。
進(jìn)展一：鐵電疇工程調(diào)控 PMN-PT 性能，賦能高性能電光集成器件
圖1.鐵電域調(diào)控工程及其對(duì)電光與光電性能增強(qiáng)作用示意圖
鐵電材料Pb(Mg?/?Nb?/?)O?–PbTiO?（PMN-PT）因其優(yōu)異的機(jī)電耦合性能在光聲成像領(lǐng)域備受關(guān)注，但其復(fù)雜的相變和無(wú)序極化域嚴(yán)重限制了光學(xué)透明度，阻礙了光電子應(yīng)用的發(fā)展。傳統(tǒng)極化方法如交流極化雖能提升透明度，但存在工藝復(fù)雜、電壓高、電光系數(shù)不足等問(wèn)題。為解決這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出一種簡(jiǎn)單高效的高溫直流極化策略，成功實(shí)現(xiàn)三方相PMN-30PT晶體的定向疇調(diào)控。通過(guò)在高溫下施加直流電場(chǎng)，將無(wú)序極化域轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?1°疇結(jié)構(gòu)（如圖1所示），使近紅外波段透射率提升至≈68.5%，接近理論極限。值得注意的是，極化后晶體的電光和光電性能得到大大增強(qiáng)：首先，極化后晶體的有效電光系數(shù)高達(dá)588 pm V?1（1 MHz），比傳統(tǒng)鈮酸鋰晶體提升約29倍，激發(fā)了PMN-PT晶體在電光器件的應(yīng)用潛能。其次，鐵電疇工程顯著增強(qiáng)了晶體的熱釋電響應(yīng)特性，在可見(jiàn)光波段（405 nm、532 nm、660 nm）實(shí)現(xiàn)最低0.338 mW的弱光探測(cè)，且熱釋電響應(yīng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)鐵電材料鈮酸鋰。此外，在鐵電疇工程的調(diào)控下，晶體的二次諧波生成（SHG）效率提升近一倍，在較弱的基頻光功率下即可實(shí)現(xiàn)二次諧波輸出，大幅降低非線(xiàn)性光學(xué)應(yīng)用能耗。這一發(fā)現(xiàn)為PMN-PT晶體在光電和電光集成多功能系統(tǒng)的應(yīng)用鋪平了道路。
圖2.鐵電域調(diào)控工程對(duì)電光系數(shù)、熱釋電與非線(xiàn)性性能增強(qiáng)作用示意圖
相關(guān)研究以“Domain Engineering of PMN-PT for Advancing Electro-Optic and Optoelectronic Device Performance”為題發(fā)表于Laser&Photonics Reviews,DOI:10.1002/lpor.202500353。
進(jìn)展二：鈮酸鋰與二維 Bi2O2Se異質(zhì)集成非易失性工程新范式，助力神經(jīng)形態(tài)光電子學(xué)發(fā)展
圖3.各種內(nèi)部和外部因素對(duì)非易失性特性的影響
二維Bi2O2Se材料因其獨(dú)特的半導(dǎo)體/介電界面和高遷移率特性，在納米光電器件中展現(xiàn)出巨大潛力，但此前研究中其光響應(yīng)行為存在易失性和非易失性共存的爭(zhēng)議，機(jī)制不明且難以可控切換。為解決這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)變量控制方法，深入探究了其與鈮酸鋰異質(zhì)集成調(diào)控基底效應(yīng)、樣品厚度、入射功率、偏置電壓和制備工藝等因素對(duì)非易失性特性的影響（圖3所示）。
圖4.光刻過(guò)程中的殘留物對(duì)非易失性的增強(qiáng)作用
研究發(fā)現(xiàn)，熱調(diào)控是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定非易失性的關(guān)鍵因素，其根源在于Bi2O2Se的本征測(cè)輻射熱效應(yīng)：電導(dǎo)率強(qiáng)烈依賴(lài)溫度，可通過(guò)光熱和電熱激發(fā)進(jìn)行調(diào)制。值得注意的是，光刻過(guò)程中引入的有機(jī)殘留物作為納米級(jí)的熱容器和微透鏡，協(xié)同增強(qiáng)了熱限制和局部光聚焦，從而放大非易失性強(qiáng)度（圖4所示）。
圖5.制備器件的特性在圖像邊緣檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用
這一發(fā)現(xiàn)使得團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了圖像邊緣檢測(cè)等神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用，展示了Bi2O2Se在自適應(yīng)光子系統(tǒng)中的潛力（圖5所示）。該突破性成果不僅闡明了Bi2O2Se非易失性行為的物理起源，還通過(guò)多參數(shù)協(xié)同調(diào)控，為開(kāi)發(fā)高性能神經(jīng)形態(tài)光電器件提供了新范式。相關(guān)論文以“Nonvolatile Engineering in 2D Bi2O2Se Based on Lithium Niobate”為題發(fā)表于Laser&Photonics Reviews,DOI:10.1002/lpor.202500936。
進(jìn)展三：MoS2/BaTiO3異質(zhì)光電集成器件實(shí)現(xiàn)97.6%類(lèi)腦視覺(jué)識(shí)別準(zhǔn)確率
圖6.受腦啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算
視覺(jué)神經(jīng)形態(tài)器件通過(guò)將感知、存儲(chǔ)和計(jì)算功能集成于單一器件中，模擬生物視覺(jué)系統(tǒng)的高效信息處理能力，為解決馮·諾依曼架構(gòu)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中存在的高能耗和高延遲問(wèn)題提供了重要方向（圖6所示）。
圖7.MoS2/BaTiO3器件的光電特性
該研究提出了一種基于MoS2和BaTiO3的異質(zhì)集成光電器件。利用BaTiO3的鐵電特性和鐵電極化衰減滯后于電和光激發(fā)特性，實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)與光脈沖雙重調(diào)控下的電導(dǎo)狀態(tài)切換。實(shí)驗(yàn)中，該器件展現(xiàn)出清晰的電阻切換行為，以及通過(guò)光脈沖實(shí)現(xiàn)的多電導(dǎo)狀態(tài)（圖7所示）。
圖8.基于MoS2/BaTiO3器件的感知器網(wǎng)絡(luò)
同時(shí)，利用光電響應(yīng)和神經(jīng)形態(tài)行為的雙重特性，構(gòu)建了一個(gè)集視覺(jué)感知和圖像識(shí)別于一體的多層感知器網(wǎng)絡(luò)?；谠撈骷亩鄬痈兄W(wǎng)絡(luò)在MNIST手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別任務(wù)中實(shí)現(xiàn)了97.6%的識(shí)別準(zhǔn)確率，充分展示了該器件在低功耗人工智能芯片和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。相關(guān)成果以“Tunable optoelectronic memristor based on MoS2/BaTiO3for neuromorphic vision”為題發(fā)表于Chip,DOI:10.1016/j.chip.2025.100136。
該研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金及暨南大學(xué)等項(xiàng)目的大力支持。系列成果不僅豐富了光電子材料與器件的基礎(chǔ)研究體系，更在光電神經(jīng)形態(tài)計(jì)算、光電異質(zhì)集成、人工智能芯片等關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大轉(zhuǎn)化潛力，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)提供了重要學(xué)術(shù)支撐。
責(zé)編：常凱麗