華中科技大學集成電路學院團隊揭示鐵電材料電光效應(yīng)機制與未來應(yīng)用

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】華中科技大學集成電路學院傅邱云教授、董文副研究員團隊在Light：Science & Applications發(fā)表綜述文章“Advancing Inorganic Electro-Optical Materials for 5G Communications”，系統(tǒng)總結(jié)了無機電光材料的研究進展，揭示了鐵電極化與電光效應(yīng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，并提出了未來高性能材料的設(shè)計方向。
 

　　隨著5G時代的到來，光纖通信對高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笕找嫫惹小ｋ姽庹{(diào)制器作為光通信的核心器件，其性能高度依賴于材料的電光系數(shù)、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。然而，傳統(tǒng)材料(如鈮酸鋰)受限于低電光系數(shù)和高驅(qū)動電壓，難以滿足未來超高速通信的需求。
 

　　隨著未來科學技術(shù)的加速發(fā)展，人們需要具有大量EO系數(shù)、出色透光率和穩(wěn)定物理化學性質(zhì)的電光材料，以及能夠更快調(diào)制、降低損耗和更小外形尺寸的電光調(diào)節(jié)器。我校團隊深入研究了無機電光材料，以EO效應(yīng)和調(diào)制的基本原理為基礎(chǔ)，全面回顧了空間EO調(diào)制材料和電光薄膜的研究工作。此外，團隊還對最近發(fā)現(xiàn)的CMOS兼容非鈣鈦礦無機鐵電材料所表現(xiàn)出的基本鐵電性能和EO效應(yīng)進行了深入分析，具體研究內(nèi)容和結(jié)論如下：目前，基于LNO的調(diào)制器在高速EO調(diào)制器市場占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，它們有限的EO系數(shù)限制了使用塊鈮酸鋰的商用調(diào)制器的性能，從而導(dǎo)致更大的尺寸、更高的驅(qū)動電壓。用于下一代EO材料的無機光學材料的開發(fā)，特別是用于硅芯片級集成的無機光學材料，預(yù)計將集中在BTO和PZT上，它們表現(xiàn)出更高的EO系數(shù)。團隊提出了系列主要方向：首先，進一步深入鐵電極化于電光效應(yīng)關(guān)聯(lián)機制理論和實驗層面研究，特別是鐵電材料極化響應(yīng)動力學調(diào)制與電場調(diào)制下光折射率之間的內(nèi)在關(guān)系，包括更高精度的第一性原理計算和相場模擬等理論方法和極化結(jié)構(gòu)超快動力學表征等；其次，進行包含電場方向、鐵電極化方向、光場方向多物理場器件仿真，關(guān)聯(lián)薄膜材料內(nèi)在極化結(jié)構(gòu)的電學和光學行為，實現(xiàn)器件的精心仿真設(shè)計，優(yōu)化器件性能；最后，徹底調(diào)研光傳輸中無機材料的損耗、器件插入損耗和穩(wěn)定性特性，尋找改善的方法。相關(guān)研究的最終目標是實現(xiàn)可能能夠替代LNO的下一代無機EO材料的預(yù)測和探索。
 

　　在研究中，我校團隊對鈣鈦礦基鐵電EO材料以及新興的CMOS兼容無機非鈣鈦礦對應(yīng)物的進展進行了回顧，突出了對鐵電和EO調(diào)制器的普遍關(guān)注。另外，團隊還提及了一些新興二元EO材料，如HfO2、ZnO和AlN及它們的電光效應(yīng)。
 

　　我校團隊還在研究中提出了未來的突破方向，以解決鐵電材料電光系數(shù)的理論預(yù)測與實驗值仍存在量級差異(如BTO理論值45 pm/V vs. 實驗值923 pm/V)，且流行的材料也仍然存在局限性(LNO制備復(fù)雜，BTO二次電光系數(shù)較低)等問題。
 

關(guān)于無機鐵電體電光(EO)機制及性能優(yōu)化的未來研究方向
 

　　本研究由我校集成電路學院、功能陶瓷教育部工程研究中心、武漢光電國家研究中心聯(lián)合完成。相關(guān)團隊長期致力于鐵電電光機制和器件集成研究，近年來在Light：Science & Application、Materials Today、Journal of Advanced Ceramics、Ceramics International等期刊發(fā)表電光材料及器件系列突破性成果。