李飛教授主要從事鐵電壓電材料與器件的研究工作，分別于2006和2012年，在西安交通大學電子系獲得學士和博士學位。2015-2018年，先后以博士后和助理研究員身份，在美國賓夕法尼亞州立大學從事研究工作。以第一作者或通訊作者在包括Nature，Science, Nature Materials，Nature Communication等國際頂級期刊發表學術論文60余篇，授權發明專利7項。獲得2019年國家自然科學基金委“優秀青年基金”項目資助、IEEE UFFC Ferroelectric Young Investigator Award、美國陶瓷學會Ross Coffin Purdy Award等獎項。他研制的具有超高壓電性能的透明鐵電單晶入選2020年度中國科學十大進展。
從2018年回國以來的4年時間里，李飛教授專注一個領域的研究，作為通訊作者在Science和Nature發表3篇研究論文。此外，李飛教授還曾受邀在Science發表1篇述評文章。
今天,我們主要介紹西安交通大學李飛，哈爾濱工業大學田浩及臥龍崗大學張樹君共同通訊在Science 在線發表題為“Ferroelectric crystals with giant electro-optic property enabling ultracompact Q-switches”的研究進展。
光傳播和光強度的精確控制對于從激光器到光放大器和調制器的眾多光子器件至關重要。通過電刺激對光信號進行快速有效的控制需要電光(EO)材料，這些材料的折射率n會隨著施加的電場而發生較大的變化；例如，Pockels效應。Pockels效應的主要優點包括折射率n的變化與施加的電場之間的線性相關性、快速響應和強大的光控制能力，這些都是廣泛的光子學應用的核心。以LiNbO3(LN)和KD2PO4 (DKDP)為代表的鐵電晶體是現有EO器件的重要組成部分，因為它們具有大尺寸和良好的溫度穩定性。DKDP 具有非常高的光學損傷閾值，適用于大功率Q開關。然而，它的吸濕特性需要小心防潮，因此基于EO器件的DKDP需要復雜的制造工藝。此外，LN和DKDP晶體的相對低的有效EO系數rc（分別為~21 和 24 pm V?1），需要在EO器件中使用高電壓和/或厚材料，導致了高輔助成本（高電壓電源）和小型化的困難。這個問題已經成為提高設備性能的關鍵障礙。因此，非常需要發現和使用具有更大Pockels效應的替代材料，以最小化EO器件的驅動電壓和尺寸。許多鈣鈦礦鐵電單晶的Pockels系數在102 pm V?1量級，例如BaTiO3、KNbO3和Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 -PbTiO3(PMN-PT)，它們盡管有前景的EO特性，但鈣鈦礦鐵電體的光學透明度是一個長期存在的挑戰，極大地阻礙了這些晶體的實際應用。晶體中天然存在的鐵電疇壁極大地限制了它們的光學透明度，這是由于具有不同取向的相鄰疇的折射率差異引起的疇壁處的光散射和反射，導致高光學損耗甚至不透明度可見到近紅外光譜。
弛豫鈦酸鉛(PbTiO3)晶體具有極高的壓電性，具有較高的電光系數。然而，弛緩型PbTiO3晶體的光學透明度由于光散射和疇壁反射而嚴重降低，限制了電光的應用，西安交通大學李飛，哈爾濱工業大學田浩及臥龍崗大學張樹君等人通過鐵電相、晶體取向和極化技術的協同設計，成功去除了所有光散射疇壁，并在增透膜涂層晶體中實現了99.6%的極高透射率，具有 900 pm V?1的超高EO系數r33，比傳統使用的EO晶體高>30倍。使用這些晶體，該研究制造了需要極低驅動電壓的超緊湊型 EO Q開關，其性能優于商業 Q 開關。這些材料的開發對于EO器件的便攜性和低驅動電壓具有重要意義。
要點1：弛豫鐵電晶體的選擇
圖1. 模擬域模式和每個域的光學指標[ 011 ]-極化菱形 PIN-PMN-PT晶體。
作者使用選擇菱面體0.21PIN-(0.79 - x )PMN- x PT ( x = 0.28, 0.30, 0.32) 晶體作為示例材料，因為它們具有可觀的室溫電特性（例如，介電和壓電特性）與積極研究的弛豫鐵電晶體PMN-PT相比，提高了溫度和電場穩定性。當光穿過71°疇壁時，折射率保持不變。在[011]或者[100]結晶方向，導致抑制光散射和/或反射。相比之下，沿[01ˉ1]方向的光學透明度較低，考慮到光學指示線的主軸在(01ˉ1)面是不同的（圖1F）。因此，與經典鐵電體相比，當受到電場等外部刺激時，弛豫鐵電晶體中的光學指示線的旋轉可能更容易發生，從而導致弛豫鐵電體中的電光活性更大。
要點2：PIN-PMN-PT 晶體的極化
使用偏光顯微鏡(PLM)來獲取采用常規極化方法極化的0.21PIN-0.47PMN-0.32PT（PIN-PMN-32PT）晶體的[011]取向，即在室溫下在兩倍矯頑場的電場下進行極化。PLM 圖像取自(011)和(01ˉ1)表面與模擬域結構一致（圖2A）。在圖 2B中可以看到許多疇壁，其中疇壁和疇壁之間的角度[01ˉ1]方向為~35°。由于疇壁處的折射率不連續性的衍射，散射束斑的形狀幾乎復制了疇圖案（圖2B）。顯然，光散射會降低透明度并對EO器件的效率產生不利影響。進一步采用高溫極化方法來降低鉗位效應并消除光散射疇壁。如預期的那樣，高斯光束的足跡在沿晶體傳輸該晶體后仍保持為圓形光斑[011]軸（圖2G），意味著與室溫極化的晶體相比，透光率顯著提高。用于討論EO特性和器件設計的PIN-PMN-PT 晶體通過高溫極化技術進行極化。
圖2. 域結構[ 011 ]取向的菱面體 PIN-PMN-32PT 晶體通過常規和高溫方法極化。
要點3：透明度和電光特性[ 011 ]-極化 PIN-PMN-PT 晶體
當從兩個方向觀察時，極化晶體是高度透明的[100]和[011]方向。在550至2500 nm的波長范圍內，沿極化樣品的兩個方向的透光率約為70%，如果僅考慮表面反射，則非常接近理論極限（圖3B）。此外，[01-1]極化的PIN-PMN-PT晶體在中紅外波段，即2500至5500 nm（圖3C）中表現出高透明度，除了由OH-離子的伸縮振動引起的波長2840 nm附近的小吸收峰，作者還發現EO系數rc隨著PT含量的增加而增加，即隨著組成接近同形相邊界（MPB）（圖3E）。隨著溫度從5°C增加到60°C，發現EO系數增加了約30%到50%，因為它們類似于溫度引起的介電和壓電系數的變化，表明介電和壓電相關的貢獻在EO系數中起著關鍵作用。在高于菱面體-正交相變溫度(~105°C) 的溫度下，EO系數顯著降低，因為沿[011]相變過程中的方向存在去極化效應。
圖3. PIN-PMN-PT 晶體的透明性和電光特性[ 011 ]方向采用高溫極化法。
要點4：PIN-PMN-PT晶體制成的電光Q開關
圖4. 由透明 PIN-PMN-32PT 晶體制造的 Q 開關的關鍵性能。
作者為了展示PIN-PMN-PT晶體在實際應用中的競爭優勢，構建并表征了電光Q開關。并將其與商業DKDP和LN Q 開關進行比較，記錄了PIN-PMN-32PT Q 開關在3.7 mJ 的泵浦能量和 1 kHz 的重復頻率下產生的100個連續輸出脈沖的能量分布（圖4H）。激光輸出能量在脈沖序列上的變化系數估計為2.7%，證明了與商業DKDP和 LN Q 開關相當的超低輸出能量抖動。
小結：
該研究針對Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIN-PMN-PT)弛豫鐵電晶體開發了一種特定的高溫極化工藝，以增強通過去除不需要的疇壁實現在相互正交的方向上透明，并通過促進電場誘導的極化旋轉來實現高EO系數。這種高度透明的PIN-PMN-PT晶體在900至2800 pm V?1范圍內具有超高EO系數r33，溫度范圍為20°至100°C，頻率范圍為10至104 Hz。該研究使用這種極化的PIN-PMN-PT晶體構建了一個超緊湊的自由空間EO Q 開關，并證明了與最先進的EO器件相比，它在小型化和驅動電壓降低方面的可行性和有效性。總之，這些材料的開發對于EO器件的便攜性和低驅動電壓具有重要意義。
參考文獻：
Xin Liu, Peng Tan et al. Ferroelectric crystals with giant electro-optic property enabling ultracompact Q-switches. Science, 2022, 376, 371-377
DOI: 10.1126/science.abn7711
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn7711
