თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის (LN) ფოტოდეტექტორი

თხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის (LN) ფოტოდეტექტორი

ლითიუმის ნიობატს (LN) აქვს უნიკალური კრისტალური სტრუქტურა და მდიდარი ფიზიკური ეფექტები, როგორიცაა არაწრფივი ეფექტები, ელექტროოპტიკური ეფექტები, პიროელექტრული ეფექტები და პიეზოელექტრული ეფექტები. ამავდროულად, მას აქვს ფართოზოლოვანი ოპტიკური გამჭვირვალობის ფანჯრისა და გრძელვადიანი სტაბილურობის უპირატესობები. ეს მახასიათებლები LN-ს მნიშვნელოვან პლატფორმად აქცევს ინტეგრირებული ფოტონიკის ახალი თაობისთვის. ოპტიკურ მოწყობილობებსა და ოპტოელექტრონულ სისტემებში, LN-ის მახასიათებლები უზრუნველყოფს მდიდარ ფუნქციებსა და შესრულებას, რაც ხელს უწყობს ოპტიკური კომუნიკაციის, ოპტიკური გამოთვლების და ოპტიკური სენსორული ველების განვითარებას. თუმცა, ლითიუმის ნიობატის სუსტი შთანთქმის და იზოლაციის თვისებების გამო, ლითიუმის ნიობატის ინტეგრირებული გამოყენება კვლავ აწყდება რთული აღმოჩენის პრობლემას. ბოლო წლებში ამ სფეროში მოხსენებები ძირითადად მოიცავს ტალღის გამტარ ინტეგრირებულ ფოტოდეტექტორებს და ჰეტეროშეერთების ფოტოდეტექტორებს.
ლითიუმის ნიობატზე დაფუძნებული ტალღის გამტარი ინტეგრირებული ფოტოდეტექტორი, როგორც წესი, ორიენტირებულია ოპტიკური კომუნიკაციის C-დიაპაზონზე (1525-1565 ნმ). ფუნქციის თვალსაზრისით, LN ძირითადად ასრულებს მართვადი ტალღების როლს, ხოლო ოპტოელექტრონული აღმოჩენის ფუნქცია ძირითადად ეყრდნობა ნახევარგამტარებს, როგორიცაა სილიციუმი, III-V ჯგუფის ვიწრო ზოლიანი ნახევარგამტარები და ორგანზომილებიანი მასალები. ასეთ არქიტექტურაში, სინათლე გადაიცემა ლითიუმის ნიობატის ოპტიკური ტალღის გამტარების მეშვეობით დაბალი დანაკარგებით და შემდეგ შთაინთქმება სხვა ნახევარგამტარული მასალების მიერ ფოტოელექტრული ეფექტების (როგორიცაა ფოტოგამტარობა ან ფოტოელექტრული ეფექტები) საფუძველზე, რათა გაიზარდოს მატარებლის კონცენტრაცია და გარდაიქმნას იგი გამოსასვლელ ელექტრულ სიგნალებად. უპირატესობებია მაღალი ოპერაციული გამტარობა (~GHz), დაბალი ოპერაციული ძაბვა, მცირე ზომა და თავსებადობა ფოტონურ ჩიპურ ინტეგრაციასთან. თუმცა, ლითიუმის ნიობატისა და ნახევარგამტარული მასალების სივრცითი გამოყოფის გამო, მიუხედავად იმისა, რომ თითოეული მათგანი ასრულებს საკუთარ ფუნქციებს, LN მხოლოდ ტალღების მართვაში თამაშობს როლს და სხვა შესანიშნავი უცხო თვისებები კარგად არ არის გამოყენებული. ნახევარგამტარული მასალები მხოლოდ ფოტოელექტრულ გარდაქმნაში თამაშობენ როლს და არ აქვთ ერთმანეთთან დამატებითი შეერთება, რაც იწვევს შედარებით შეზღუდულ ოპერაციულ დიაპაზონს. სპეციფიკური განხორციელების თვალსაზრისით, სინათლის წყაროდან ლითიუმ ნიობატის ოპტიკურ ტალღგამტართან შეერთება იწვევს მნიშვნელოვან დანაკარგებს და მკაცრ პროცესის მოთხოვნებს. გარდა ამისა, შეერთების რეგიონში ნახევარგამტარული მოწყობილობის არხზე გამოსხივებული სინათლის ფაქტობრივი ოპტიკური სიმძლავრის დაკალიბრება რთულია, რაც ზღუდავს მისი აღმოჩენის ეფექტურობას.
ტრადიციულიფოტოდეტექტორებივიზუალიზაციისთვის გამოყენებული მასალები, როგორც წესი, ნახევარგამტარულ მასალებზეა დაფუძნებული. ამიტომ, ლითიუმის ნიობატისთვის, მისი დაბალი სინათლის შთანთქმის სიჩქარე და იზოლაციის თვისებები, უდავოდ, ფოტოდეტექტორების მკვლევარებისთვის არ არის სასურველი და ამ სფეროში რთულ საკითხადაც კი იქცა. თუმცა, ბოლო წლებში ჰეტეროშეერთების ტექნოლოგიის განვითარებამ იმედი მისცა ლითიუმის ნიობატზე დაფუძნებული ფოტოდეტექტორების კვლევას. სხვა მასალები, რომლებსაც აქვთ ძლიერი სინათლის შთანთქმა ან შესანიშნავი გამტარობა, შეიძლება ჰეტეროგენულად ინტეგრირდეს ლითიუმის ნიობატთან, რათა კომპენსირებული იყოს მისი ნაკლოვანებები. ამავდროულად, ლითიუმის ნიობატის სპონტანური პოლარიზაციით გამოწვეული პიროელექტრული მახასიათებლები, მისი სტრუქტურული ანიზოტროპიის გამო, შეიძლება კონტროლირდეს სინათლის დასხივების ქვეშ სითბოდ გარდაქმნით, რითაც იცვლება პიროელექტრონული მახასიათებლები ოპტოელექტრონული დეტექტირებისთვის. ამ თერმულ ეფექტს აქვს ფართოზოლოვანი და თვითმართვადი უპირატესობები და შეიძლება კარგად შევავსოთ და შერწყმული იყოს სხვა მასალებთან. თერმული და ფოტოელექტრული ეფექტების სინქრონულმა გამოყენებამ გახსნა ახალი ერა ლითიუმის ნიობატზე დაფუძნებული ფოტოდეტექტორებისთვის, რაც საშუალებას აძლევს მოწყობილობებს გააერთიანონ ორივე ეფექტის უპირატესობები. ნაკლოვანებების კომპენსირებისა და უპირატესობების დამატებითი ინტეგრაციის მისაღწევად, ის ბოლო წლებში კვლევის ცხელი წერტილია. გარდა ამისა, იონური იმპლანტაციის, ზოლური ინჟინერიისა და დეფექტური ინჟინერიის გამოყენება ასევე კარგი არჩევანია ლითიუმის ნიობატის აღმოჩენის სირთულის გადასაჭრელად. თუმცა, ლითიუმის ნიობატის დამუშავების მაღალი სირთულის გამო, ეს სფერო კვლავ დიდი გამოწვევების წინაშე დგას, როგორიცაა დაბალი ინტეგრაცია, მასივის გამოსახულების მოწყობილობები და სისტემები და არასაკმარისი შესრულება, რასაც დიდი კვლევითი ღირებულება და სივრცე აქვს.

სურათი 1, LN ზოლის შიგნით არსებული დეფექტური ენერგეტიკული მდგომარეობების გამოყენებით, როგორც ელექტრონული დონორის ცენტრების, გამტარობის ზოლში ხილული სინათლის აგზნების დროს წარმოიქმნება თავისუფალი მუხტის მატარებლები. წინა პიროელექტრულ LN ფოტოდეტექტორებთან შედარებით, რომლებიც, როგორც წესი, შემოიფარგლებოდა დაახლოებით 100 ჰერცის რეაქციის სიჩქარით, ესLN ფოტოდეტექტორიაქვს უფრო სწრაფი რეაგირების სიჩქარე 10 კჰც-მდე. ამასობაში, ამ ნაშრომში ნაჩვენები იყო, რომ მაგნიუმის იონით დოპირებულ LN-ს შეუძლია მიაღწიოს გარე სინათლის მოდულაციას 10 კჰც-მდე რეაგირებით. ეს ნაშრომი ხელს უწყობს მაღალი ხარისხის დამაღალსიჩქარიანი LN ფოტოდეტექტორებისრულად ფუნქციონალური ერთჩიპიანი ინტეგრირებული LN ფოტონური ჩიპების კონსტრუქციაში.
შეჯამებით, კვლევის სფეროთხელი ფირის ლითიუმის ნიობატის ფოტოდეტექტორებიმას აქვს მნიშვნელოვანი სამეცნიერო მნიშვნელობა და უზარმაზარი პრაქტიკული გამოყენების პოტენციალი. მომავალში, ტექნოლოგიების განვითარებასთან და კვლევის გაღრმავებასთან ერთად, თხელფენოვანი ლითიუმ-ნიობატის (LN) ფოტოდეტექტორები უფრო მაღალი ინტეგრაციისკენ განვითარდება. სხვადასხვა ინტეგრაციის მეთოდების გაერთიანება მაღალი ხარისხის, სწრაფი რეაგირების და ფართოზოლოვანი თხელფენოვანი ლითიუმ-ნიობატის ფოტოდეტექტორების ყველა ასპექტში მისაღწევად რეალობად იქცევა, რაც მნიშვნელოვნად შეუწყობს ხელს ჩიპზე ინტეგრაციისა და ინტელექტუალური ზონდირების ველების განვითარებას და მეტ შესაძლებლობებს შექმნის ფოტონიკის აპლიკაციების ახალი თაობისთვის.