学术动态丨理学院团队在高横向压电和电光效应的透明铁电单晶研制方面取得突破

发布时间:2021-09-18浏览次数:225作者:刘友文来源:理学院供图:刘友文责任编辑:王雨竹审核:王春武

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近日,国际顶级期刊《Advanced Materials》(先进材料,IF:30.849)在线发表我校理学院团队的研究成果“通过铁电畴工程实现具有优异横向压电和电光效应的透明PMN-PT单晶”,该论文第一作者为理学院博士生邓晨光,理学院刘友文教授和航天学院赫崇君副教授为论文通讯作者。




铁电材料广泛地应用于超声、光电、传感、控制、机械等诸多领域。然而,在光学领域的应用中,具有高压电性的透明铁电晶体一直是一个巨大的挑战。铁电晶体PMN-PT在准同型相界(MPBs) 组分具有极高的压电系数,但是复杂相结构和无序电畴造成了极低的透光率。2020年1月16日,英国《自然》期刊发表了西安交大压电单晶研究成果,他们利用交变电场来极化PMN-PT晶体,形成了109°层状畴,消除了引起光散射的铁电畴壁,从而获得了性能压电性能优良的透明PMN-PT晶体。该研究成果被遴选为2020年度“中国科学十大进展”之一。


具有109°层状畴的PMN-PT晶体虽然在极化方向表现出近乎完美的透明度,但晶体的侧面方向却是不透明的,因此它只适合纵向调制模式,不适用于通常的横向调制模式。针对这个科学问题,理学院研究团队通过直流极化畴工程,在PMN-PT晶体中形成稳定的71°层状铁电畴,使晶体侧面具有优良的透光性能,因而采用横向电场调制模式可以降低半波电压,为PMN-PT晶体器件实用化打下坚实的基础。通过畴工程获得的透明PMN-PT晶体具有高压电性(>1700 pC/N),并且其电光系数高达320 pm/V,是目前被广泛应用的电光晶体铌酸锂的10倍。进一步通过压电应力显微镜(PFM)研究109°和71°层状畴结构,并深入探讨了极化、退极化及极化厚度对弛豫铁电单晶光电性能的影响,通过有序电畴工程增加特定取向的透光性。研究成果不仅可以促进光电功能晶体理论发展,还可以推动新型电光、声光调制器件的研制,为光-电-声器件开发提供重要思路。


图1

(a)用于横向调制的PMNPT透明铁电单晶

(b)109°单畴和71°单畴的PMNPT晶体样品,沿不同轴向的透过率


图2

(a)PMN-PT单晶的压电力,层状分布的109°畴

(b)PMN-PT单晶压电力图像,层装分布的71°畴

(c)71°层状畴的折射率椭球模型,相同的折射率椭球投影保证了样品侧面方向的透过率。


参与本成果研究的还有理学院杨浩教授团队的博士生叶链旭、中国科学院上海硅酸盐研究所许桂生、罗豪甦教授,上海大学戴晔教授团队,英国Leeds University的Andrew J. Bell教授。研究工作得到了国家自然科学基金委、中央高校基本科研业务、山东大学晶体材料国家重点实验室及江苏省研究生科技创新基金的支持。