壓電光子學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用綜述

近年來，壓電光子學(xué)作為一個新興的研究領(lǐng)域吸引了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。壓電光子學(xué)器件具有遠(yuǎn)程檢測、無損分析和可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)力傳感、新型光源和顯示、結(jié)構(gòu)健康診斷、三維手寫等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王龍飛研究員針對該領(lǐng)域的研究進(jìn)行了綜述分析，在《中國科學(xué)》期刊發(fā)表了題為“壓電光子學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用”的綜述文章，介紹了壓電光子學(xué)效應(yīng)的基本原理、材料體系以及壓電光子學(xué)器件的研究進(jìn)展，并對這一學(xué)科的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

壓電光子學(xué)效應(yīng)的基本原理及材料體系

壓電光子學(xué)效應(yīng)是壓電半導(dǎo)體中的壓電特性和光激發(fā)的耦合效應(yīng)，是利用強(qiáng)壓電場調(diào)控局部能帶結(jié)構(gòu)、激發(fā)摻雜引入的發(fā)光中心進(jìn)而控制發(fā)光過程。

壓電光子學(xué)效應(yīng)為新光源、智能觸覺傳感和機(jī)械光子學(xué)等重要技術(shù)提供了研究基礎(chǔ)，尤其結(jié)合第三代、第四代半導(dǎo)體材料同時具有壓電效應(yīng)和半導(dǎo)體特性的優(yōu)勢，有望實(shí)現(xiàn)高性能的力-致發(fā)光器件。

壓電光子學(xué)效應(yīng)的原理及其應(yīng)用

壓電光子學(xué)器件的研究進(jìn)展

基于多模發(fā)光材料實(shí)現(xiàn)可視化和非接觸式傳感對于柔性光電子、信息加密和基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控至關(guān)重要。然而，光學(xué)傳感器的發(fā)展受到高性能發(fā)光功能材料的限制。在光電傳感應(yīng)用方面，Zhao等人通過將過渡金屬和鑭系元素離子共摻雜，成功合成了基于四元壓電光子半導(dǎo)體MZnOS (M=Ca, Sr, Ba)微晶的高效智能多模發(fā)光材料。結(jié)果表明，這種多功能光學(xué)材料在先進(jìn)的光學(xué)傳感和防偽應(yīng)用中具有巨大潛力。

Zhao等人提出的基于四元壓電光子半導(dǎo)體微晶的高效智能多模發(fā)光材料

在發(fā)光器件應(yīng)用方面，Wong等人提出了一種結(jié)合磁效應(yīng)和壓電光子學(xué)效應(yīng)的新概念磁致發(fā)光（MIL），開發(fā)了由磁致動器和發(fā)光顆粒組成的MIL復(fù)合層壓板。該層壓板由金屬離子摻雜的ZnS+PDMS和Fe-Ni-Co合金+PDMS組成，通過應(yīng)變與介導(dǎo)的耦合，從復(fù)合材料中觀察到MIL現(xiàn)象。這種新型器件能夠感測或轉(zhuǎn)換動態(tài)磁動作，且無需對設(shè)備使用外部電源。該器件為遠(yuǎn)程磁光傳感器、存儲設(shè)備、能量收集器、無損環(huán)境監(jiān)視和刺激響應(yīng)多模態(tài)生物成像等提供了更多的可能性。

Wong等人提出的基于應(yīng)變介導(dǎo)和力致發(fā)光的磁致發(fā)光效應(yīng)示意圖

在生化領(lǐng)域，壓電光子材料吸收的短激光脈沖產(chǎn)生的光聲（PA）波被證明可使角質(zhì)層對大分子和蛋白質(zhì)產(chǎn)生滲透作用。壓電光子材料的特點(diǎn)是高光壓轉(zhuǎn)換效率和隨著激光脈沖持續(xù)產(chǎn)生PA波，這些特征相結(jié)合產(chǎn)生了具有陡峭壓力梯度的寬帶壓力波，能夠使角質(zhì)層滲透。Sá等人使用具有大的格呂尼森系數(shù)的薄型材料改善了光壓轉(zhuǎn)導(dǎo)，并在這些材料中加入一種染料，該染料提升了壓電光子材料的性能，使角質(zhì)層對大分子和蛋白質(zhì)能夠瞬時滲透。

Sá等人開展的基于壓電光聲（PA）效應(yīng)的應(yīng)用研究

研究展望

壓電光子學(xué)的研究工作目前取得了很大進(jìn)展，不過，仍有許多問題值得關(guān)注。

（1）在機(jī)理上，深入理解這種普遍的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制依舊至關(guān)重要，同時，進(jìn)一步提高通過外部機(jī)械刺激收集到的能量也非常必要。

（2）在材料方面，應(yīng)變場的引入為半導(dǎo)體材料的多場耦合研究打開了一扇嶄新的大門。結(jié)合壓電光子學(xué)效應(yīng)和第三代、第四代半導(dǎo)體，有望實(shí)現(xiàn)新突破。此外，二維壓電半導(dǎo)體材料具有優(yōu)越的柔韌性和機(jī)械強(qiáng)度，以及自身超薄特性帶來的優(yōu)異光學(xué)透明度和對外部刺激的快速響應(yīng)，這些性質(zhì)在開發(fā)超薄和柔性發(fā)光器件方面至關(guān)重要。

（3）在器件設(shè)計(jì)方面，可以通過精準(zhǔn)構(gòu)筑原子層級結(jié)構(gòu)的可控制備和二維應(yīng)力設(shè)計(jì)，發(fā)展原子級三維應(yīng)力調(diào)控和外延應(yīng)力固化的新方法，通過精準(zhǔn)設(shè)計(jì)與調(diào)控器件內(nèi)的應(yīng)力分布，將外應(yīng)力轉(zhuǎn)換為晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)力穩(wěn)定固化，開發(fā)預(yù)應(yīng)力封裝等技術(shù)充分利用應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生的壓電極化。

（4）由于壓電光子學(xué)是壓電半導(dǎo)體的壓電特性和光激發(fā)雙向耦合的結(jié)果，需要設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)來表征壓電光子學(xué)效應(yīng)和量化相關(guān)材料和器件系統(tǒng)的特性，這將有利于建立合成新型應(yīng)力發(fā)光材料和探究相關(guān)器件應(yīng)用的指導(dǎo)方針和發(fā)展路線，進(jìn)一步促進(jìn)壓電光子學(xué)的發(fā)展。

審核編輯：劉清