最新！西安交通大学李飞等团队3篇Science/Nature

iNature

具有极高压电性的弛豫-钛酸铅 (PbTiO₃) 晶体被认为具有高电光 (EO) 系数。然而，由于畴壁的光散射和反射，弛豫-PbTiO₃晶体的光学透明度严重降低，限制了电光应用。 

2022年4月21日，西安交通大学李飞，哈尔滨工业大学田浩及卧龙岗大学张树君共同通讯在Science 在线发表题为“Ferroelectric crystals with giant electro-optic property enabling ultracompact Q-switches”的研究论文，该研究通过铁电相、晶体取向和极化技术的协同设计，成功去除了所有光散射畴壁，并在增透膜涂层晶体中实现了 99.6% 的极高透射率，具有 900 pm V⁻¹的超高 EO 系数 r33 ，比传统使用的 EO 晶体高 >30 倍。使用这些晶体，该研究制造了需要极低驱动电压的超紧凑型 EO Q 开关，其性能优于商业 Q 开关。这些材料的开发对于 EO 器件的便携性和低驱动电压具有重要意义。

2020年1月15日，西安交通大学徐卓，李飞及宾夕法尼亚州立大学Chen Long-Qing共同通讯在Nature 在线发表题为“Transparent ferroelectric crystals with ultrahigh piezoelectricity”的研究论文，该研究通过相场模拟和实验相结合，展示了一种相对简单的方法，该方法使用交流电场来设计最初不透明的菱面体Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃（PMN- PT）晶体可同时产生近乎完美的透明度，超高压电系数d33（每牛顿大于2,100皮库仑），出色的机电耦合系数k33（约94％）和较大的电光系数γ33（每百米约220皮米/伏特），这远远超出了常用的透明铁电晶体LiNbO₃的性能。该研究发现，增加畴尺寸会导致[001]取向菱面体PMN-PT晶体具有更高的d33值，这挑战了传统的观念，即减小畴尺寸始终会导致更高的压电性。这项工作提出了通过铁电领域工程实现高透明性和压电性的范例，该研究的透明铁电晶体有望能够为广泛的混合设备应用提供一条途径，例如医学成像，自能量收集触摸屏和隐形机器人设备。

另外，2019年4月19日，西安交通大学李飞（西安交通大学为第一单位）及美国宾夕法尼亚州立大学张树君共同通讯在Science 在线发表题为“Giant piezoelectricity of Sm-doped Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ single crystals”的研究论文，该研究成功地生长了Sm掺杂的Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃（Sm-PMN-PT）单晶，其d33值甚至更高，范围为每牛顿3400至4100pC N-1，具有良好的性能均匀性，这些晶体是各种传感应用的理想选择，可以通过消除浪费来降低成本。用扫描透射电子显微镜对原子尺度的Sm-PMN-PT进行了表征，以确定巨大的压电特性是由Sm3 +掺杂剂引入的增强的局部结构非均匀性引起的。因此，稀土掺杂被认为是引入局部结构异质性以增强弛豫铁电晶体的压电性的一般策略。

光传播和强度的精确控制对于从激光器到光放大器和调制器的众多光子器件至关重要。通过电刺激对光信号进行快速有效的控制需要电光 (EO) 材料，这些材料的折射率 n 会随着施加的电场而发生较大的变化；例如，Pockels 效应 。Pockels 效应的主要优点包括折射率 n 的变化与施加的电场之间的线性相关性、快速响应和强大的光控制能力，所有这些都是广泛的光子学应用的核心。

以 LiNbO₃ (LN) 和 KD₂PO₄ (DKDP) 为代表的铁电晶体是现有 EO 器件的重要组成部分，因为它们具有大尺寸和良好的温度稳定性。DKDP 具有非常高的光学损伤阈值，适用于大功率 Q 开关。然而，它的吸湿特性需要小心防潮，因此基于 EO 器件的 DKDP 需要复杂的制造工艺。此外，LN 和 DKDP 晶体的相对低的有效 EO 系数 rc（分别为~21 和 24 pm V⁻¹）需要在 EO 器件中使用高电压和/或厚材料，导致高辅助成本（高电压电源）和小型化的困难。这个问题已经成为提高设备性能的关键障碍。因此，非常需要发现和使用具有更大Pockels效应的替代材料，以最小化 EO 器件的驱动电压和尺寸。

许多钙钛矿铁电单晶的Pockels系数在 102 pm V⁻¹ 量级，例如 BaTiO₃、KNbO₃ 和 Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃ -PbTiO₃(PMN-PT)，已被开发用于解决这些问题。尽管有前景的 EO 特性，但钙钛矿铁电体的光学透明度是一个长期存在的挑战，极大地阻碍了这些晶体的实际应用。晶体中天然存在的铁电畴壁极大地限制了它们的光学透明度，这是由于具有不同取向的相邻畴的折射率差异引起的畴壁处的光散射和反射，导致高光学损耗甚至不透明度可见到近红外光谱。

极化菱面体 PIN-PMN-PT 晶体中每个域的模拟域模式和光学指标（图源自Science ）

在过去的几十年中，已经做出了相当大的努力来消除这些铁电体中的光散射畴壁，但成功非常有限。例如，将铁电晶体沿其极性方向极化可以实现没有畴壁的单畴状态。然而，单畴晶体的 EO 系数远小于沿特定非极性方向极化的晶体，即畴工程状态。最近通过交流电场极化来控制 PMN-PT 单晶的畴结构的努力已经证明了一种可行的方法，可以在很大程度上减少畴工程 PMN-PT 晶体中的光散射畴壁。虽然沿极化方向的光学透明度大大提高，并且基于该方法可以获得较高的EO系数（r33~220 pm V⁻¹），但沿其他正交方向晶体仍然不透明。因此，基于 PMN-PT 晶体设计 EO 器件仍然很困难，因为在获得高光学透明度以及晶体中巨大的 EO 性能方面存在挑战。

该研究针对 Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO_{3(PIN-PMN-PT)} 弛豫铁电晶体开发了一种特定的高温极化工艺，以增强通过去除不需要的畴壁在相互正交的方向上透明，并通过促进电场诱导的极化旋转来实现高 EO 系数。这种高度透明的 PIN-PMN-PT 晶体在 900 至 2800 pm V⁻¹ 范围内具有超高 EO 系数 r33，温度范围为 20° 至 100°C，频率范围为 10 至 104 Hz。该研究使用这种极化的 PIN-PMN-PT 晶体构建了一个超紧凑的自由空间 EO Q 开关，并证明了与最先进的 EO 器件相比，它在小型化和驱动电压降低方面的可行性和有效性。总之， 这些材料的开发对于 EO 器件的便携性和低驱动电压具有重要意义。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7711

—END—

内容为【iNature】公众号原创，

转载请写明来源于【iNature】

微信加群

iNature汇集了4万名生命科学的研究人员及医生。我们组建了80个综合群（16个PI群及64个博士群），同时更具专业专门组建了相关专业群（植物，免疫，细胞，微生物，基因编辑，神经，化学，物理，心血管，肿瘤等群）。温馨提示：进群请备注一下（格式如学校+专业+姓名，如果是PI/教授，请注明是PI/教授，否则就直接默认为在读博士，谢谢）。可以先加小编微信号（iNature5），或者是长按二维码，添加小编，之后再进相关的群，非诚勿扰。

投稿、合作、转载授权事宜

请联系微信ID：13701829856 或邮箱：[e-mail]

觉得本文好看，请点这里！