【儀表網 研發快訊】11月4日，由材料學院姜慶輝副教授領銜，聯合國內外11家研究單位(西安交通大學、英國利茲大學、倫敦瑪麗女王大學、陜西師范大學、江蘇科技大學、維也納工業大學、蘭州大學、澳大利亞國立大學、 德國馬普膠體與界面研究所、倫敦國王學院、美國賓夕法尼亞州立大學、德國亥姆霍茲地學中心)，在化學領域頂級期刊Journal of the American Chemical Society發表研究成果。論文報道了一種具備超高電光系數的透明鐵電陶瓷較商用鈮酸鋰單晶提高65倍，并提出“動態的原子尺度極化結構”物理模型為電光材料/器件的開發開辟了全新路徑。我校材料學院、材料成形與模具技術全國重點實驗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。
現代光電器件中，線性電光效應是實現光信號調制、光通信、光子計算等關鍵功能的基礎，其線性電光系數(EOC)直接決定光調制器、光開關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，在一定程度上限制器件的小型化與高效能。
團隊以弛豫鐵電體系Pb(Mg?/?Nb?/?)O?–PbTiO?(PMN–PT)為基礎，通過“成分設計 + 兩步燒結”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雜的單晶生長，透明陶瓷在成分均勻性、尺寸放大與成本方面優勢明顯，易規?；a，具備顯著產業化潛力。
圖 1LPMN-PT透明陶瓷及其電光性能
研究人員使用iDPC/HAADF技術清晰觀察到氧八面體框架中氧原子的隨機位移。這種鐵電疇內的氧八面體架局域位移構成了動態的原子尺度極化結構，在外加電場下快速響應，直接引起電子云極化變化，在光頻下產生巨大折射率調制，關聯超強線性電光效應。
圖 2LPMN-33PT 陶瓷的HAADF 圖像、對應的 B 位陽離子位移圖以及iDPC 圖像
第一性原理計算和疊熵理論顯示體系存在大量“動態低能小角度”極化構型，等效地提供豐富的“快速響應”原子尺度極化單元，與原子尺度觀測及超高EOC數據相吻合，形成“設計–預測–驗證”的完整閉環。
圖 3 各種構型下基于 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與疇壁密度關聯的底層物理機制，從本質上推動了晶體極化行為與光電耦合機制的深層次再認識，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，開辟了低成本光調制器、集成光通信芯片與智能光學傳感器等器件的新研究領域。
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