近年來,壓電光子學作為一個新興的研究領(lǐng)域吸引了學者們的廣泛關(guān)注。壓電光子學器件具有遠程檢測、無損分析和可重復(fù)性等優(yōu)點,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)麥姆斯咨詢報道,近期,中國科學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)域的研究進行了綜述分析,在《中國科學》期刊發(fā)表了題為“壓電光子學效應(yīng)及其應(yīng)用”的綜述文章,介紹了壓電光子學效應(yīng)的基本原理、材料體系以及壓電光子學器件的研究進展,并對這一學科的未來發(fā)展進行了展望。
壓電光子學效應(yīng)的基本原理及材料體系
壓電光子學效應(yīng)是壓電半導體中的壓電特性和光激發(fā)的耦合效應(yīng),是利用強壓電場調(diào)控局部能帶結(jié)構(gòu)、激發(fā)摻雜引入的發(fā)光中心進而控制發(fā)光過程。
壓電光子學效應(yīng)為新光源、智能觸覺傳感和機械光子學等重要技術(shù)提供了研究基礎(chǔ),尤其結(jié)合第三代、第四代半導體材料同時具有壓電效應(yīng)和半導體特性的優(yōu)勢,有望實現(xiàn)高性能的力-致發(fā)光器件。
壓電光子學效應(yīng)的原理及其應(yīng)用
壓電光子學器件的研究進展
基于多模發(fā)光材料實現(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,這種多功能光學材料在先進的光學傳感和防偽應(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,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
壓電光子學的研究工作目前取得了很大進展,不過,仍有許多問題值得關(guān)注。
(1)在機理上,深入理解這種普遍的能量轉(zhuǎn)換機制依舊至關(guān)重要,同時,進一步提高通過外部機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)合壓電光子學效應(yīng)和第三代、第四代半導體,有望實現(xiàn)新突破。此外,二維壓電半導體材料具有優(yōu)越的柔韌性和機械強度,以及自身超薄特性帶來的優(yōu)異光學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)計方面,可以通過精準構(gòu)筑原子層級結(jié)構(gòu)的可控制備和二維應(yīng)力設(shè)計,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,通過精準設(shè)計與調(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)由于壓電光子學是壓電半導體的壓電特性和光激發(fā)雙向耦合的結(jié)果,需要設(shè)計具體的實驗方法和標準來表征壓電光子學效應(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)用的指導方針和發(fā)展路線,進一步促進壓電光子學的發(fā)展。
審核編輯:劉清
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原文標題:綜述:壓電光子學效應(yīng)及其應(yīng)用
文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
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