摘 要
热释电传感器在军事、医疗、安保等领域都有着重要作用。热释电电荷产生和电荷收集是产生热释电电信号的关键环节。近日，济南大学周伟家教授团队创新性地利用聚焦脉冲激光对铌酸锂晶片进行了表面处理，通过诱导铌酸锂表面等离子体而使晶格氧离子逸出，制备了氧空位结构。该结构通过提升表面电荷传输能力而增强了热释电电荷收集，进而增强了铌酸锂晶片的热释电电压，为改进热释电材料性能提供了新思路。
该工作题为“Laser-processed lithium niobate wafer for pyroelectric sensor”，在线发表在国际知名学术期刊InfoMat。本文第一作者为硕士生辛笛，通讯作者为济南大学的韩婧讲师，孙德辉副教授、刘晓燕副教授和周伟家教授。
文章简介
本文通过激光处理铌酸锂晶圆，并探究了处理后铌酸锂晶圆的热释电性能。图一展示了加工过程、等离子体光谱和不同条件下的晶片表面温度。对于激光处理中白光的光谱分析说明激光诱导了氧等离子体的产生。
图1. (A) LPLN传感器阵列的制造示意图，以及LN、LPLN照片。(B) 激光诱导等离子辉光的照片和示意图。(C) 在空气和氩气环境中激光诱导等离子体的发射光谱（700-300 nm）。(D) 激光诱导等离子体的原位发射光谱（700-300 nm）。(E) 聚焦激光过程中LN的实时温度曲线（5 W）。插图为激光聚焦过程的示意图和获得的LPLN晶片。(F) 带吸收层的LN在聚焦激光过程中的实时温度曲线（5 W）。插图为激光聚焦过程的示意图和裂开的晶片。(G) 非聚焦激光过程中LN的实时温度曲线（5 W，非聚焦距离为1.5 cm）。插图为激光非聚焦过程的示意图和处理后的晶片。
图2. (A) ALPLN、LPLN、RLN和LN的光学照片。(B) ALPLN、LPLN、RLN和LN的紫外-可见-近红外（UV-vis-NIR）吸收光谱。(C) ALPLN、LPLN和LN的铌（Nb）3d的XPS光谱。(D)、(G) ALPLN、LPLN、RLN和LN的SEM俯视图。插图为截面图和放大的SEM图。
图2对激光处理的铌酸锂进行表征。激光处理后的铌酸锂与常规方式黑化的铌酸锂表现出相同的吸收特征，且其XPS光谱中存在一个位于205.08 eV对应Nb4+的峰。这说明激光诱导等离子体导致晶格中的氧逸出，在表面引入了氧空位。SEM图说明激光处理能够有效实现铌酸锂表面的粗化。
图3. (A)温度循环过程中电荷的移动和电压的生成示意图。(B) LPLN传感器的热释电测试示意图。(C) ALPLN、LPLN、RLN和LN晶片的热释电电压性能（加热10秒，ΔT = 10 K）。(D) ALPLN、LPLN、RLN和LN晶片的热释电电流性能（持续加热，ΔT = 10 K）。(E) ALPLN、LPLN和LN表面上收集的电荷数量。(F) ALPLN、LPLN、RLN和LN晶片的电流-电压（I-V）特性曲线（-8.0至8.0 V）。
在热释电电压测试中，激光处理的铌酸锂晶片表现出最高的热释电电压。研究人员认为，热释电电压的形成可以使用电容器模型解释。经测试，铌酸锂晶片产生的电流也最高，相应时间内收集的电荷也最多。这可以归因于粗糙表面更高的电荷储存和具有氧空位结构的表面更高的电荷传输能力。
图4. (A) LPLN传感器在不同温差（ΔT = 5, 10, 15, 20, 25 K，相对于室温298.15 K）的电压输出表现。(B) 实时电压稳定性测试。(C) LPLN传感器在不同距离（D = 5, 10, 15, 20, 25 cm）与加热台温度（473.15 K, 523.15 K, 573.15 K）下的电压峰值。(D) 实时电压稳定性测试。
研究者测试了接触加热和非接触加热的情况下，不同的加热条件使晶片产生的电压。随着温差升高，器件产生的电压也逐渐升高。并且在相同的测试条件下，晶片输出的电压较为稳定。这为激光处理的铌酸锂晶片应用于传感器件提供了先决条件。
图5. (A) 基于LPLN的传感器用于触觉监测和温度监控的示意图。(B) 单点触摸模式下每个单元的实时输出信号。(C) 滑动模式下每个单元的实时输出信号。(D) 多点触摸模式下每个单元的实时输出信号。(E) LED在单点触摸模式下的响应。(F) LED在滑动模式下的响应。(G) LED在多点触摸模式下的响应。插图为不同模式的示意图。(H)温度控制蜂鸣器和RGB LED。
本文制备的触觉交互系统在单点触摸模式下，对应的LED依次点亮并熄灭；在滑动模式下，LED会依次点亮，最终统一熄灭；在多点触摸模式下，LED同时亮起或熄灭。此外，本文制备的温度监控系统在接触到室温物体时无响应；当接触温度略高的热源时，LED发出黄光；当接触温度更高的热源时，LED发出红光，蜂鸣器发声报警。这两种功能演示为拓宽热释电传感器的应用场景提供了可能性。
本研究利用脉冲激光表面处理技术对LN晶圆进行改性，有效提高了它们的热释电电压性能。整个处理过程在大气环境中进行，简化了复杂的实验流程。热释电电压性能的提高被认为与激光诱导的氧空位含量增加和粗糙表面电荷存储增加有关。基于传感器的人机界面制造实现了触觉感应和温度监测。本工作不仅提供了一种有效的方法来提高热释电材料的性能，而且有望拓宽热释电传感器的应用场景。
论文信息
Laser-processed lithium niobate wafer for pyroelectric sensor
Di Xin，Jing Han*，Wei Song，Wenbin Han，Meng Wang，Zhimeng Li，Yunwu Zhang，Yang Li，Hong Liu，Xiaoyan Liu*，Dehui Sun*，Weijia Zhou*
DOI:10.1002/inf2.12557
作者介绍
周伟家，济南大学前沿交叉科学研究院，博士生导师。主要从事激光合成与催化催化研究，在催化电池、光热利用和生物传感等方面取得一系列研究成果，以第一或通讯作者在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater、Nat. Commun.等期刊发表SCI论文100余篇，他引11000余次；科学通报、物理化学学报、SusMat青年编委和交叉学科材料(IM)学术编辑；授权发明专利30余项；主持国家优秀青年基金、国家重点研发计划课题、山东省杰出青年基金、山东省重点研发计划、山东省泰山特聘教授等国家省部级项目12项。获得山东省青年科技奖、山东省自然科学一等奖（3/5）、中国颗粒学会自然科学二等奖（1/5）。
