Adv. Mater.：无铅透明陶瓷前所未有的光电性能

光的精确控制促进从激光器到光通信这一令人难以置信的光子器件阵列的形成。由于光的调制可以通过铌酸锂（LN）很好的完成，所以光电（EO）材料对光电子产业相当重要。例如，通过光电调制控制光束偏转、巨光脉冲的产生、电信光开关、激光器锁模等。用于有效评估设备性能的光电系数表明一定长度的材料在一定的外加电压下相位旋转的大小。光电系数的增加导致设备更简洁且潜在设备更低价，光电调制的在激光系统中扩大增殖应用于科学、医疗和制造应用。

近日，由加利福尼亚大学 Javier E. Garay带领的研究团队于Advanced Materials上报道了他们的最新研究成果，报告中表明新型透明光电性能陶瓷的性能优于我们现在使用的光电材料。该材料是一种基于钛酸钡（BT）的固溶体(1−x)Ba(Zr_0.2Ti_0.8)O _{3 –x}(Ba _0.7 Ca _0.3 )TiO ₃，被称之为BXT。在10KHz时，它的有效（复合）直流光电系数是530pmV⁻¹ 和425pmV⁻¹，不仅优于铌酸锂（LN）晶体，而且优于精品含铅铁电陶瓷如PLZT。他们提出了基于有效域切换高光电反应和场致相变去形成低光学对称性的晶体结构的机制。并且展示了第一个基于BXT的电光振幅调制器，该设备在较低工作电压（低于26.5倍）下运行堪比基于LN晶体的设备（频率高达10千赫的状况下）。

图1 EO的可行性论证

a）光电效应示意图显示开关和尺寸变化的影响域。（但这里并没有提及电荷/离子对EO影响很重要）；
b）滞后曲线的极化与基于BT的陶瓷电场的比较。插图是样本的一张照片。基于BT的样品加工用CAPAD显示的透明度和铁电响应都表明光电材料的可行性。

图2 两种粉末合成路线相均匀性比较

（左）用两种路线合成和加工后的粉末和CAPAD加工陶瓷的XRD图谱。底部面板显示BC基粉末和陶瓷具有可见BaZrO 3峰，表明不完整反应。顶部面板显示，无论是BT基粉末还是陶瓷都只有纯相钙钛矿峰，表示一个完整的反应。（右）粉体加工后致密陶瓷的BSE和SE图像。底部面板的结果显示一个明显的非均匀相分布在基于BC的路线上，表示一个不完整的反应。顶部面板显示了一个均匀的相位分布在基于BT的路线上，表示一个完整的反应。

图3 BXT的光学性质  

a）BXT平均折射率的分散。虚线显示适合进行色散的数据。用于执行光电测量的光的波长为635nm，BXT的n=2.28；
b）BXT的Tauc设计从测得的消光系数计算。黑线表示曲线的线性部分的外推。从外推法可以看到那Eg=3.6eV，指示 BXT所有可见波长；
c）从传输和折射指数的数据计算有效的光损耗系数和效率。

图 4 光电装置的设计和性能

a）简化改进后Senarmont补偿器振幅调制器的示意图。展示了组件和预期的偏振态的角度；
b） 基于致密的 BXT 陶瓷的定制振幅调制器的照片 ；
c） 强度比和电压与时间结果证明我们基于 BXT 器件的性能。设备调制从0到1只需要370V是因为BXT有显著rc值为530pmV-1 ；
d） 光电系数与驱动频率。即使在高驱动信号的频率BXT仍保留其较大的c值。

图5 光电性能的实际效果比较

条形图比较BXT与其他常见的光电材料的rc价值。BXT的rc值已经是最先进材料LiNbO 3的二十倍以上。插图显示了在相同电压下BXT、PLZT和LiNbO 3达到相同转速所需要的材料厚度的对比。假设Vπ是相同值的理想情况下，材料厚度绘制时成比例。一个基于BXT的设备在相同Vπ值下运行时相当于基于LN的设备需要比LN设备小26.5倍的水晶球。偏置电场的增加或减少都会依赖于rc值。图被分为三个区域相对于偏置电场改变了主导的EO机制。图底部显示的是拟定区域的大纲诱导结构演化以控制BXT的光电属性。

文献链接：Unprecedented Electro-Optic Performance in Lead-Free Transparent Ceramics（Advanced Materials ，2016，DOI: 10.1002/adma.201600947）

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