【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】11月4日，由材料學(xué)院姜慶輝副教授領(lǐng)銜，聯(lián)合國(guó)內(nèi)外11家研究單位(西安交通大學(xué)、英國(guó)利茲大學(xué)、倫敦瑪麗女王大學(xué)、陜西師范大學(xué)、江蘇科技大學(xué)、維也納工業(yè)大學(xué)、蘭州大學(xué)、澳大利亞國(guó)立大學(xué)、 德國(guó)馬普膠體與界面研究所、倫敦國(guó)王學(xué)院、美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)、德國(guó)亥姆霍茲地學(xué)中心)，在化學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊Journal of the American Chemical Society發(fā)表研究成果。論文報(bào)道了一種具備超高電光系數(shù)的透明鐵電陶瓷較商用鈮酸鋰單晶提高65倍，并提出“動(dòng)態(tài)的原子尺度極化結(jié)構(gòu)”物理模型為電光材料/器件的開發(fā)開辟了全新路徑。我校材料學(xué)院、材料成形與模具技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為第一完成單位及第一通訊單位，姜慶輝為論文第一作者和共同通訊作者。
現(xiàn)代光電器件中，線性電光效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)調(diào)制、光通信、光子計(jì)算等關(guān)鍵功能的基礎(chǔ)，其線性電光系數(shù)(EOC)直接決定光調(diào)制器、光開關(guān)等器件的效率與體積。商用鈮酸鋰單晶LiNbO?的EOC為30 pm/V量級(jí)，在一定程度上限制器件的小型化與高效能。
團(tuán)隊(duì)以弛豫鐵電體系Pb(Mg?/?Nb?/?)O?–PbTiO?(PMN–PT)為基礎(chǔ)，通過“成分設(shè)計(jì) + 兩步燒結(jié)”制備出從菱方、單斜(MPB)到四方晶系的固溶體透明陶瓷，并首次報(bào)道了LPMN-33PT陶瓷的超高EOC1417 pm/V(約為 LiNbO?的65 倍)，相較于昂貴且工藝復(fù)雜的單晶生長(zhǎng)，透明陶瓷在成分均勻性、尺寸放大與成本方面優(yōu)勢(shì)明顯，易規(guī)模化生產(chǎn)，具備顯著產(chǎn)業(yè)化潛力。
圖 1LPMN-PT透明陶瓷及其電光性能
研究人員使用iDPC/HAADF技術(shù)清晰觀察到氧八面體框架中氧原子的隨機(jī)位移。這種鐵電疇內(nèi)的氧八面體架局域位移構(gòu)成了動(dòng)態(tài)的原子尺度極化結(jié)構(gòu)，在外加電場(chǎng)下快速響應(yīng)，直接引起電子云極化變化，在光頻下產(chǎn)生巨大折射率調(diào)制，關(guān)聯(lián)超強(qiáng)線性電光效應(yīng)。
圖 2LPMN-33PT 陶瓷的HAADF 圖像、對(duì)應(yīng)的 B 位陽離子位移圖以及iDPC 圖像
第一性原理計(jì)算和疊熵理論顯示體系存在大量“動(dòng)態(tài)低能小角度”極化構(gòu)型，等效地提供豐富的“快速響應(yīng)”原子尺度極化單元，與原子尺度觀測(cè)及超高EOC數(shù)據(jù)相吻合，形成“設(shè)計(jì)–預(yù)測(cè)–驗(yàn)證”的完整閉環(huán)。
圖 3 各種構(gòu)型下基于 Born 有效電荷得到的 B 位陽離子極化方向夾角
該成果揭示了電光效應(yīng)與疇壁密度關(guān)聯(lián)的底層物理機(jī)制，從本質(zhì)上推動(dòng)了晶體極化行為與光電耦合機(jī)制的深層次再認(rèn)識(shí)，為鐵電材料、光電材料乃至量子功能材料研究提供全新視角，開辟了低成本光調(diào)制器、集成光通信芯片與智能光學(xué)傳感器等器件的新研究領(lǐng)域。
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