清華大學材料學院李千課題組在電光薄膜性能調(diào)控領(lǐng)域取得新進展

日期：2025-09-19 11:40

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摘要：清華大學材料學院李千課題組在電光薄膜性能調(diào)控領(lǐng)域取得新進展

需要增透減反技術(shù)可以聯(lián)系我們上海工廠18917106313

上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務。

集成光子學技術(shù)利用光信號實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速、低損傳輸，被視為解決后摩爾時代通信資源消耗和性能受限等問題的*佳方案，在信息技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。同時，這也對集成光子器件中的關(guān)鍵材料提出了更高的性能要求。與硅基材料和鈮酸鋰等常用材料體系相比，鈦酸鋇（BaTiO₃）具有高電光系數(shù)、與芯片集成工藝兼容、可實現(xiàn)非易失性存儲等特性，近年來備受研究者關(guān)注。然而，目前BaTiO₃薄膜的電光系數(shù)仍有待進一步突破，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、疇翻轉(zhuǎn)動力學特征與電光性能之間的聯(lián)系也尚未被闡明，限制了其在集成光子器件領(lǐng)域的深入應用。

為解決上述關(guān)鍵問題，清華大學材料學院李千副教授課題組借助鐵電極化翻轉(zhuǎn)路徑的設(shè)計思想，利用鈧酸釓（GdScO₃）緩沖層在BaTiO₃薄膜中實現(xiàn)了逐漸過渡的極化旋轉(zhuǎn)路徑，并通過緩沖層厚度調(diào)控獲得了一系列不同結(jié)構(gòu)的BaTiO₃薄膜（圖1）。X 射線衍射、二次諧波等測量結(jié)果表明，隨緩沖層厚度增加，薄膜相結(jié)構(gòu)由面外四方相過渡至中間菱方相，*終穩(wěn)定在面內(nèi)四方相。掃描透射電鏡（STEM）結(jié)果進一步證實了不同BaTiO₃薄膜之間的結(jié)構(gòu)差異，同時表明這一結(jié)構(gòu)調(diào)控策略的有效性源于GdScO₃緩沖層的慢應變釋放方式（圖2）。在此基礎(chǔ)上，研究團隊利用自行搭建的新型表征系統(tǒng)，結(jié)合原位二次諧波產(chǎn)生和電光測量裝置，對BaTiO₃薄膜的電光響應行為及其與結(jié)構(gòu)特性之間的關(guān)聯(lián)進行系統(tǒng)解析。通過前述策略優(yōu)化相結(jié)構(gòu)的BaTiO₃薄膜，表現(xiàn)出高達175pm/V的有效電光系數(shù)和182%的光學多級移相窗口（圖3）。團隊進一步表征了BaTiO₃薄膜疇成核行為的空間圖像，并在此基礎(chǔ)上進行疇翻轉(zhuǎn)過程統(tǒng)計學和空間解析動力學研究，為薄膜的成核限制（NLS）模型提供了系統(tǒng)性實證證據(jù)（圖4）。該工作在實現(xiàn)BaTiO₃薄膜電光系數(shù)提升的同時，對BaTiO₃薄膜電光響應背后的疇翻轉(zhuǎn)動力學進行系統(tǒng)解析，為高性能電光材料和集成光子器件的設(shè)計提供了有效的方案。

圖1. 利用GdScO₃緩沖層實現(xiàn)BaTiO₃薄膜的結(jié)構(gòu)逐漸變化

圖2. 不同緩沖層厚度的BaTiO₃薄膜STEM表征結(jié)果

圖3. 相結(jié)構(gòu)優(yōu)化的BaTiO₃薄膜實現(xiàn)電光性能的增強

圖4. 基于電光和非線性光學響應的疇翻轉(zhuǎn)動力學分析

相關(guān)研究成果以“通過緩沖層控制的極化旋轉(zhuǎn)路徑調(diào)節(jié)鈦酸鋇薄膜的電光性能”（Tuning the Electro-Optic Properties of BaTiO3 Epitaxial Thin Films via Buffer Layer-Controlled Polarization Rotation Paths）為題，近日發(fā)表在國際有名期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

清華大學材料學院2023級博士生于涵、國家納米科學中心2021級博士生郭寧、清華大學材料學院鄧晨光博士后為論文的共同**作者，清華大學材料學院李千副教授、李敬鋒教授，國家納米科學中心鄭強研究員，清華大學材料學院鄧晨光博士后為論文的通訊作者。論文的重要合作者還包括清華大學馬靜副教授，北京師范大學張金星教授等。本研究得到了國家自然基金基礎(chǔ)科學中心項目、原創(chuàng)探索計劃項目、國家重點研發(fā)計劃、北京市自然科學基金等的支持。

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