随着人工智能对高速数据传输要求的不断提高，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，薄膜铌酸锂(TFLN)、薄膜钽酸锂(TFLT)凭借优异的电光特性、二阶非线性特性被认为是新一代集成光子芯片的重要平台，有望在高速光通信中发挥关键作用。然而，这两种材料的电学绝缘性、光学透明窗口和热释电瞬态响应机制限制了它们在光电探测领域的应用。近日，物理学院陈峰教授、贾曰辰教授团队在基于畴工程的TFLN/TFLT光电探测领域取得突破。团队通过创新的微纳加工技术，在单晶薄膜衬底中制备光学超表面增强对光的吸收，同时写入了导电畴壁，实现电流的高效传输。在两者的协同作用下，实现了高效自驱动光电探测应用，并可以利用导模共振与器件尺寸的关联人工调控峰值响应波段。具体成果如下：
进展一：带电畴壁与量子隧穿协同作用的纳米导电网络
钽酸锂(LiTaO3, 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2.6×10-4 Ω·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。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。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。验证表明，该工艺的良率达92%，批量制备的样品电学与光学指标浮动范围分别为6%和11%，具有良好的重复性。研究成果以“Encoding functional nanocircuits into ferroelectric photonics”为题发表于Advanced Photonics 8 (5) (2026)，山东大学鲁宁研究员、贾曰辰教授和陈峰教授为该工作的共同通讯作者，山东大学博士研究生王焯群为该工作的第一作者，山东大学为唯一第一作者和通讯作者单位。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。
图一、薄膜钽酸锂纳米导电网络的制备、器件SEM照片及畴结构表征、能带计算。
论文链接：https://doi.org/10.1117/1.AP.8.5.056005
进展二：基于畴工程的薄膜铌酸锂光电探测器
在进展一的基础上，研究团队进一步在薄膜铌酸锂平台上验证了这一技术的应用潜力。利用器件尺寸对导模共振的调控，团队分别制备了峰值响应波长从可见光波段逐步转移至通信波段的自驱动光电探测器。探测器可以实现0.1A/W量级的自驱动光电探测功能，并可在施加偏压的条件下线性增长。该方案的光电响应度与探测率综合表现远超现有的LN/LT材料光电探测渠道。不同尺寸器件的电学性能稳定在同一数量级内，且都在预定的波长处达到了峰值光电响应，与非响应波段之间存在明显的对比度，证明了器件设计原理的可靠性。探测器在持续运行100个周期的过程中，以及在室温储存1年后的指标没有出现显著波动；研究团队验证了探测器的数据传输和选择性光学成像功能，为最终集成封装为实体光电探测器打下了基础。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。研究成果以“Domain-engineered metasurfaces for monolithic photodetection in lithium niobate”为题发表于Laser & Photonics Reviews e71889 (2026)，山东大学鲁宁研究员、贾曰辰教授和陈峰教授为该工作的共同通讯作者，山东大学博士研究生王焯群为该工作的第一作者，山东大学为唯一第一作者和通讯作者单位。山东大学孙晓莉教授、谭杨教授对本工作提供了重要支持。
图二、薄膜铌酸锂光电探测器的响应波长调节能力展示。
论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.71889
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。
该研究得到了山东省重点研发计划、国家自然科学基金的资助，以及济南晶正电子科技有限公司、山东大学公共实验平台的技术支持。
