【仪表网 研发快讯】11月4日，由材料学院姜庆辉副教授领衔，联合国内外11家研究单位(西安交通大学、英国利兹大学、伦敦玛丽女王大学、陕西师范大学、江苏科技大学、维也纳工业大学、兰州大学、澳大利亚国立大学、 德国马普胶体与界面研究所、伦敦国王学院、美国宾夕法尼亚州立大学、德国亥姆霍兹地学中心)，在化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society发表研究成果。论文报道了一种具备超高电光系数的透明铁电陶瓷较商用铌酸锂单晶提高65倍，并提出“动态的原子尺度极化结构”物理模型为电光材料/器件的开发开辟了全新路径。我校材料学院、材料成形与模具技术全国重点实验室为第一完成单位及第一通讯单位，姜庆辉为论文第一作者和共同通讯作者。
 

　　现代光电器件中，线性电光效应是实现光信号调制、光通信、光子计算等关键功能的基础，其线性电光系数(EOC)直接决定光调制器、光开关等器件的效率与体积。商用铌酸锂单晶LiNbO?的EOC为30 pm/V量级，在一定程度上限制器件的小型化与高效能。
 

　　团队以弛豫铁电体系Pb(Mg?/?Nb?/?)O?–PbTiO?(PMN–PT)为基础，通过“成分设计 + 两步烧结”制备出从菱方、单斜(MPB)到四方晶系的固溶体透明陶瓷，并首次报道了LPMN-33PT陶瓷的超高EOC1417 pm/V(约为 LiNbO?的65 倍)，相较于昂贵且工艺复杂的单晶生长，透明陶瓷在成分均匀性、尺寸放大与成本方面优势明显，易规模化生产，具备显著产业化潜力。
 

图 1LPMN-PT透明陶瓷及其电光性能
 

　　研究人员使用iDPC/HAADF技术清晰观察到氧八面体框架中氧原子的随机位移。这种铁电畴内的氧八面体架局域位移构成了动态的原子尺度极化结构，在外加电场下快速响应，直接引起电子云极化变化，在光频下产生巨大折射率调制，关联超强线性电光效应。
 

　　图 2LPMN-33PT 陶瓷的HAADF 图像、对应的 B 位阳离子位移图以及iDPC 图像
 

　　第一性原理计算和叠熵理论显示体系存在大量“动态低能小角度”极化构型，等效地提供丰富的“快速响应”原子尺度极化单元，与原子尺度观测及超高EOC数据相吻合，形成“设计–预测–验证”的完整闭环。
 

图 3 各种构型下基于 Born 有效电荷得到的 B 位阳离子极化方向夹角
 

　　该成果揭示了电光效应与畴壁密度关联的底层物理机制，从本质上推动了晶体极化行为与光电耦合机制的深层次再认识，为铁电材料、光电材料乃至量子功能材料研究提供全新视角，开辟了低成本光调制器、集成光通信芯片与智能光学传感器等器件的新研究领域。