Adv. Mater.：無鉛透明陶瓷前所未有的光電性能

光的精確控制促進從激光器到光通信這一令人難以置信的光子器件陣列的形成。由于光的調制可以通過鈮酸鋰（LN）很好的完成，所以光電（EO）材料對光電子產業相當重要。例如，通過光電調制控制光束偏轉、巨光脈沖的產生、電信光開關、激光器鎖模等。用于有效評估設備性能的光電系數表明一定長度的材料在一定的外加電壓下相位旋轉的大小。光電系數的增加導致設備更簡潔且潛在設備更低價，光電調制的在激光系統中擴大增殖應用于科學、醫療和制造應用。

近日，由加利福尼亞大學 Javier E. Garay帶領的研究團隊于Advanced Materials上報道了他們的最新研究成果，報告中表明新型透明光電性能陶瓷的性能優于我們現在使用的光電材料。該材料是一種基于鈦酸鋇（BT）的固溶體(1?x)Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O _{3 –x}(Ba _0.7 Ca _0.3 )TiO ₃，被稱之為BXT。在10KHz時，它的有效（復合）直流光電系數是530pmV^?1 和425pmV^?1，不僅優于鈮酸鋰（LN）晶體，而且優于精品含鉛鐵電陶瓷如PLZT。他們提出了基于有效域切換高光電反應和場致相變去形成低光學對稱性的晶體結構的機制。并且展示了第一個基于BXT的電光振幅調制器，該設備在較低工作電壓（低于26.5倍）下運行堪比基于LN晶體的設備（頻率高達10千赫的狀況下）。

圖1 EO的可行性論證

a）光電效應示意圖顯示開關和尺寸變化的影響域。（但這里并沒有提及電荷/離子對EO影響很重要）；
b）滯后曲線的極化與基于BT的陶瓷電場的比較。插圖是樣本的一張照片。基于BT的樣品加工用CAPAD顯示的透明度和鐵電響應都表明光電材料的可行性。

圖2 兩種粉末合成路線相均勻性比較

（左）用兩種路線合成和加工后的粉末和CAPAD加工陶瓷的XRD圖譜。底部面板顯示BC基粉末和陶瓷具有可見BaZrO 3峰，表明不完整反應。頂部面板顯示，無論是BT基粉末還是陶瓷都只有純相鈣鈦礦峰，表示一個完整的反應。（右）粉體加工后致密陶瓷的BSE和SE圖像。底部面板的結果顯示一個明顯的非均勻相分布在基于BC的路線上，表示一個不完整的反應。頂部面板顯示了一個均勻的相位分布在基于BT的路線上，表示一個完整的反應。

圖3 BXT的光學性質 ?

a）BXT平均折射率的分散。虛線顯示適合進行色散的數據。用于執行光電測量的光的波長為635nm，BXT的n=2.28；
b）BXT的Tauc設計從測得的消光系數計算。黑線表示曲線的線性部分的外推。從外推法可以看到那Eg=3.6eV，指示?BXT所有可見波長；
c）從傳輸和折射指數的數據計算有效的光損耗系數和效率。

圖?4 光電裝置的設計和性能

a）簡化改進后Senarmont補償器振幅調制器的示意圖。展示了組件和預期的偏振態的角度；
b）?基于致密的?BXT?陶瓷的定制振幅調制器的照片 ；
c）?強度比和電壓與時間結果證明我們基于 BXT?器件的性能。設備調制從0到1只需要370V是因為BXT有顯著rc值為530pmV-1?；
d）?光電系數與驅動頻率。即使在高驅動信號的頻率BXT仍保留其較大的c值。

圖5 光電性能的實際效果比較

條形圖比較BXT與其他常見的光電材料的rc價值。BXT的rc值已經是最先進材料LiNbO 3的二十倍以上。插圖顯示了在相同電壓下BXT、PLZT和LiNbO 3達到相同轉速所需要的材料厚度的對比。假設Vπ是相同值的理想情況下，材料厚度繪制時成比例。一個基于BXT的設備在相同Vπ值下運行時相當于基于LN的設備需要比LN設備小26.5倍的水晶球。偏置電場的增加或減少都會依賴于rc值。圖被分為三個區域相對于偏置電場改變了主導的EO機制。圖底部顯示的是擬定區域的大綱誘導結構演化以控制BXT的光電屬性。

文獻鏈接：Unprecedented Electro-Optic Performance in Lead-Free Transparent Ceramics（Advanced Materials ，2016，DOI: 10.1002/adma.201600947）

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