كاشف ضوئي لنيوبات الليثيوم (LN) ذو الغشاء الرقيق
يتميز نيوبات الليثيوم (LN) ببنية بلورية فريدة وتأثيرات فيزيائية غنية، مثل التأثيرات غير الخطية، والتأثيرات الكهروضوئية، والتأثيرات الكهرحرارية، والتأثيرات الكهرضغطية. كما يتميز بشفافية بصرية واسعة النطاق واستقرار طويل الأمد. هذه الخصائص تجعله منصة مهمة للجيل الجديد من الفوتونيات المتكاملة. في الأجهزة البصرية والأنظمة الإلكترونية البصرية، توفر خصائصه وظائف وأداءً متميزين، مما يعزز تطوير الاتصالات البصرية، والحوسبة البصرية، والاستشعار البصري. ومع ذلك، نظرًا لضعف خصائص الامتصاص والعزل لنيوبات الليثيوم، لا يزال تطبيقه المتكامل يواجه صعوبة في الكشف. في السنوات الأخيرة، شملت التقارير في هذا المجال بشكل رئيسي أجهزة الكشف الضوئية المتكاملة بالدليل الموجي وأجهزة الكشف الضوئية غير المتجانسة.
عادةً ما يركز كاشف الضوء المتكامل مع الدليل الموجي، والمُصنَّع من نيوبات الليثيوم، على نطاق C للاتصالات البصرية (1525-1565 نانومتر). من حيث الوظيفة، يلعب LN دور الموجات المُوجَّهة بشكل رئيسي، بينما تعتمد وظيفة الكشف الضوئي الإلكتروني بشكل رئيسي على أشباه الموصلات مثل السيليكون، وأشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الضيق من المجموعة III-V، والمواد ثنائية الأبعاد. في هذه البنية، ينتقل الضوء عبر أدلة الموجات الضوئية لنيوبات الليثيوم بفقدان منخفض، ثم تمتصه مواد أشباه موصلات أخرى بناءً على التأثيرات الكهروضوئية (مثل الموصلية الضوئية أو التأثيرات الكهروضوئية) لزيادة تركيز الموجات الحاملة وتحويلها إلى إشارات كهربائية للإخراج. تتمثل مزاياه في نطاق ترددي تشغيلي عالٍ (~GHz)، وجهد تشغيل منخفض، وصغر حجمه، وتوافقه مع تكامل الشريحة الفوتونية. ومع ذلك، نظرًا للفصل المكاني بين نيوبات الليثيوم ومواد أشباه الموصلات، على الرغم من أن كلًا منهما يؤدي وظيفته الخاصة، فإن LN يقتصر دوره على توجيه الموجات، ولم تُستغل خصائصه الخارجية الممتازة الأخرى بشكل جيد. تقتصر أدوار مواد أشباه الموصلات على التحويل الكهروضوئي، وتفتقر إلى الاقتران التكاملي، مما يؤدي إلى نطاق تشغيل محدود نسبيًا. ومن حيث التطبيق، يُؤدي اقتران الضوء من مصدر الضوء إلى الدليل الموجي الضوئي لنيوبات الليثيوم إلى خسائر كبيرة ومتطلبات عملية صارمة. إضافةً إلى ذلك، يصعب معايرة القدرة الضوئية الفعلية للضوء المُشعّ على قناة جهاز أشباه الموصلات في منطقة الاقتران، مما يحدّ من أدائها في الكشف.
التقليديأجهزة الكشف الضوئيتُستخدم عادةً مواد أشباه الموصلات في تطبيقات التصوير. لذلك، فإنّ انخفاض معدل امتصاص الضوء وخصائص العزل لنيوبات الليثيوم تجعله بلا شك غير مفضل لدى باحثي الكواشف الضوئية، بل نقطة صعبة في هذا المجال. ومع ذلك، فقد بعث تطوير تقنية الوصلات غير المتجانسة في السنوات الأخيرة الأمل في أبحاث الكواشف الضوئية القائمة على نيوبات الليثيوم. يمكن دمج مواد أخرى ذات امتصاص ضوئي قوي أو موصلية ممتازة بشكل غير متجانس مع نيوبات الليثيوم لتعويض عيوبه. في الوقت نفسه، يمكن التحكم في الخصائص الكهروحرارية الناتجة عن الاستقطاب التلقائي لنيوبات الليثيوم، بسبب تباينه الهيكلي، عن طريق تحويلها إلى حرارة تحت إشعاع الضوء، مما يؤدي إلى تغيير الخصائص الكهروحرارية للكشف الضوئي الإلكتروني. يتميز هذا التأثير الحراري بمزايا النطاق العريض والقيادة الذاتية، ويمكن استكماله ودمجه بشكل جيد مع مواد أخرى. فتح الاستخدام المتزامن للتأثيرات الحرارية والضوئية عصرًا جديدًا لكاشفات الضوء القائمة على نيوبات الليثيوم، مما مكّن الأجهزة من الجمع بين مزايا كلا التأثيرين. ولتعويض أوجه القصور وتحقيق التكامل المتكامل للمزايا، أصبح هذا المجال محورًا بحثيًا هامًا في السنوات الأخيرة. بالإضافة إلى ذلك، يُعدّ استخدام زرع الأيونات، وهندسة النطاقات، وهندسة العيوب خيارًا جيدًا أيضًا لحل صعوبة اكتشاف نيوبات الليثيوم. ومع ذلك، نظرًا لصعوبة معالجة نيوبات الليثيوم العالية، لا يزال هذا المجال يواجه تحديات كبيرة، مثل ضعف التكامل، وأجهزة وأنظمة التصوير المصفوفي، وضعف الأداء، وهو ما يتمتع بقيمة بحثية كبيرة ومساحة واسعة.
الشكل 1، باستخدام حالات طاقة العيب ضمن فجوة نطاق LN كمراكز مانحة للإلكترونات، تتولد حاملات شحنة حرة في نطاق التوصيل تحت تأثير الضوء المرئي. مقارنةً بكاشفات الضوء LN الكهروحرارية السابقة، والتي كانت تقتصر عادةً على سرعة استجابة تبلغ حوالي 100 هرتز، فإن هذاكاشف ضوئي LNيتمتع بسرعة استجابة أعلى تصل إلى 10 كيلوهرتز. وفي الوقت نفسه، أثبت هذا العمل أن النيتروجين السائل المضاف إليه أيون المغنيسيوم يمكنه تحقيق تعديل ضوئي خارجي باستجابة تصل إلى 10 كيلوهرتز. يعزز هذا العمل البحث في مجال الأداء العالي وكاشفات ضوئية عالية السرعة LNفي بناء رقائق الفوتونية LN المتكاملة ذات الشريحة الواحدة والوظيفية بالكامل.
باختصار، مجال البحث هوكاشفات ضوئية من نيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقةيتمتع هذا الجهاز بأهمية علمية بالغة وإمكانات تطبيقية هائلة. في المستقبل، ومع تطور التكنولوجيا وتعميق البحث، ستتطور أجهزة الكشف الضوئية لنيوبات الليثيوم (LN) ذات الأغشية الرقيقة نحو تكامل أعلى. وسيصبح الجمع بين طرق التكامل المختلفة لتحقيق أداء عالٍ واستجابة سريعة ونطاق تردد واسع لكاشفات ضوئية لنيوبات الليثيوم ذات الأغشية الرقيقة من جميع الجوانب واقعًا ملموسًا، مما سيعزز بشكل كبير تطوير التكامل على الرقاقة ومجالات الاستشعار الذكي، ويوفر إمكانيات أكبر للجيل الجديد من تطبيقات الفوتونيات.
وقت النشر: ١٧ فبراير ٢٠٢٥