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华中科技大学董文团队：绝缘衬底上PZT薄膜电光效应机制揭示和高电光性能突破，有望推动光子学器件的技术升级精选

已有 532 次阅读 2025-12-9 09:31 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Chen L, Shi X, Xie J, et al. Unlocking the electro–optic potential of ferroelectrics: advanced domain and phase manipulation. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(11): 9221180. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221180

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221180

ResearchGate：Unlock the electro-optic potential of ferroelectrics: advanced domain and phase manipulation

一、研究背景：光通信时代的材料瓶颈

在现代全球信息基础设施中，光通信的重要性不言而喻。作为其核心部件，电光（EO）调制器的性能直接决定了数据传输的速率与能效。长期以来，钽酸锂（LiNbO₃）以其~31 pm/V的电光系数和稳定性，扮演着商业应用的中流砥柱角色。然而，面对下一代通信技术对更高效率、更低功耗和极致集成的迫切需求，开发具有更强电光效应的新材料已成为当务之急。铁电材料锆钛酸铅（PZT）和钛酸钡（BTO）被视为理想的替代者。但PZT面临一个巨大的矛盾：其理论预测的电光系数极低（仅~13 pm/V），但众多实验却测得了远高于此的值（~219.6 pm/V）。如何解释并弥合这“理论与实验的巨大鸿沟”，同时实现性能的跨越，是困扰领域内多年的重大科学挑战。

二、研究目的：解锁铁电体的电光潜能

传统的研究思路是通过畴工程、外延应变等方法最大化极化自由度，但这些方法均受限于衬底的“夹持效应”，难以实现根本性突破。本研究旨在另辟蹊径，通过先进的“畴”与“相”结构操控，在PZT薄膜中创造一种高度弛豫的结构状态，以释放其内在的极化调控自由度，从而解锁其巨大的电光潜力，最终制备出兼具高性能、高居里温度且与现有硅工艺兼容的电光材料。

三、研究方法：多尺度协同的“实验-理论”闭环

研究团队采用了多尺度、多维度的方法来揭示这一复杂物理过程。

1. 材料制备与电极加工：采用溶胶-凝胶法，在石英玻璃衬底上制备了准同型相界（MPB）成分的PbZr_0.52Ti_0.48O₃薄膜。通过光刻和电子束蒸发工艺，在薄膜表面制作了间距为20 μm的叉指电极，用于施加面内电场并进行测量。

图1（a）X射线衍射（XRD）图谱，显示薄膜具有(001)和(100)混合的晶体取向，表明其低各向异性的弛豫结构；（b）薄膜的截面扫描电子显微镜（SEM）图像，显示薄膜厚度均匀，约为968 nm；（c）面外和面内压电力显微镜（PFM）相位对比图像，证明薄膜在面内和面外方向均存在自发极化；（d）面内极化 hysteresis 回线测量电极示意图，展示了沉积在PZT薄膜表面的叉指电极结构（间距20 μm，单电极宽5 μm）；（e）在一个电场循环下的极化电荷（Q） hysteresis 回线，展示了高质量的面内极化开关特性，且矫顽场（~4.3 kV/cm）极低

2. 微结构与性能表征：利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和压电力显微镜（PFM）对薄膜的晶体结构、微观形貌和铁电畴结构进行了系统分析。关键发现在于，通过原位球差校正透射电镜（HAADF-STEM），研究人员在原子尺度上实时观测了电场下材料的动态响应。他们发现，制备的PZT薄膜是一种高度弛豫的结构，其特点是(001)和(100)混合取向、纳米尺度的畴以及菱方相（R）、四方相（T）和类立方相（C-like）共存的局域多型性结构。

图2 （a-c）在0V, 500 mV, 和 1000 mV面内电压下测量的面内离子位移映射图（原位TEM样品正负电极间距约2 μm）。清晰展示了纳米尺度的畴和极性纳米簇，以及其随电场变化的演变过程；（d-f）在不同加载电压下，用归一化B位点强度标记的原始原子尺度高角环形暗场像（HAADF-STEM）。直接显示了薄膜中菱方相（R, 蓝色）、四方相（T, 紫色）和类立方相（C-like, 绿色）的共存状态及其在电场下的相比例演化。

3. 电光性能测量：团队搭建了基于斯托克斯矢量的自建测量系统，并以钽酸锂晶体为标准样品进行了精确校准，确保了数据的可靠性。该系统采用780nm激光，在反射模式下精确测量了不同电场下的相位差变化，进而推导出折射率变化（Δn）和电光系数。

图3（a）PZT薄膜在300~2500 nm波长范围内的折射率（n）和消光系数（k）曲线。显示出高透光性（k值极小）；（b）在780 nm波长下，反射模式电光测量示意图；（c）入射光与反射光之间的相位差（δ）随直流电场（E）变化的演化曲线，呈现典型的 hysteresis 行为；（d）折射率变化（Δn）随直流电场（E）变化的函数关系，同样显示出 hysteresis 行为；（e）对电场依赖的Δn进行分段多项式拟合，以确定一阶Pockels（r_1st）和二阶Kerr（r_2nd）电光系数；（f）本工作测得有效Pockels电光系数（r_eff）与理论预测值及其他文献中采用面内电场和空间方法测量的PZT薄膜实验值的对比。

4. 理论与计算模拟：为深入理解机理，团队进行了第一性原理计算（DFT）和相场模拟。

DFT计算揭示了不同相（R相与T相）之间固有的折射率差异（Δn ~ 0.1），并证实畴壁浓度的增加可直接导致折射率发生10⁻²量级的变化。
相场模拟完美复现了实验观察，证实了在面内电场下，相变（R相比例增加）和畴结构重排是产生巨大介电响应（Δεᵣ）的主要原因。

图4 （a）相和T相的折射率随光波长的变化函数。显示两相之间存在固有的折射率差异（Δn ~ 0.1）；（b）在1×12×1超晶胞中构建的不同极化状态的结构模型，用以产生不同的畴壁浓度；（c）在780 nm波长下，X, Y和Z轴方向的折射率作为每超晶胞畴壁数量（N_Dw/supercell）的函数图。表明畴壁浓度增加会导致折射率上升；（d）基于相场模拟，计算得到的弛豫MPB PZT薄膜（由R、T和C-like相按图3d比例组成）与正常MPB PZT在780 nm下、不同面内电场中的介电常数变化（Δε_r）。弛豫结构显示出大得多的Δε_r；（e-f）相场模拟展示的施加面内电场前（0 kV/cm）后（8 kV/cm）的畴结构。红色大箭头指示所加电场方向。弛豫结构（e）在电场下发生显著的纳米畴重排和相变，而正常MPB PZT（f）仅显示畴翻转。

四、主要结论与意义：机制创新与性能飞跃

本研究获得了以下重磅结论：

性能实现数量级突破：实验测得PZT薄膜的一阶线性电光系数高达233.5 pm/V。此数值不仅是传统材料LiNbO₃（~31 pm/V）的七倍多，更是超过了PZT理论极限（~13 pm/V）一个数量级，创造了面内电场测量条件下的新纪录。
揭示超越传统畴翻转的新机制：研究首次明确指出，巨大的电光效应源于“相变” 和 “畴壁浓度变化” 与“畴翻转”的协同贡献。这种多尺度极化操控策略释放了前所未有的折射率调制能力，成功解释了理论与实验间的巨大差距。
成功制备关键材料体系：成功获得了具有混合取向、纳米畴和相共存的弛豫性PZT薄膜。该结构显著降低了极化翻转势垒（面内矫顽场仅~4.3 kV/cm），为高效的电光调控奠定了基础。
应用前景广阔：该PZT薄膜采用溶胶-凝胶法制备，与CMOS工艺兼容，且其高居里温度（~347°C）保证了器件的高温稳定性，使其成为下一代硅基集成光子学中极具竞争力的候选材料。

总结而言，该项研究不仅报道了一种性能卓越的电光材料，更重要的是提供了一种通过“多尺度结构操控”来解锁铁电材料功能潜力的全新范式，对推动高性能电光调制器、乃至储能和电卡制冷等其他铁电器件的发展具有深远的指导意义。

五、作者及研究团队简介

陈龙（第一作者），华中科技大学集成电路学院博士生。研究方向为铁电材料及电光器件。

邮箱：15651648001@163.com

董文（通讯作者），华中科技大学副研究员、博导，研究方向为铁电材料及集成器件。

个人主页：http://faculty.hust.edu.cn/WenDong/zh_CN/index.htm

邮箱：dongw@hust.edu.cn/albert_d_w@hotmail.com

ORCID: 0000-0001-7242-7239

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）Hu M, Chang Z, Nie N, et al. La-doped PMN–PT transparent ceramics with ultra-high electro-optic effect and its application in optical devices. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(7): 1441-1453. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220766

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。