鉭酸鉀鈮酸鹽KTa1-xNbxO3(KTN)有巨大的電光效應(yīng)，但是由于其較低的透光率限制了KTN晶體在功能器件中的應(yīng)用相种。南開(kāi)大學(xué)劉洪
亮老師課題組報(bào)道了由交流(AC)或直流(DC)電場(chǎng)引起的高光學(xué)透明度的觀察。
一方面交流電場(chǎng)誘導(dǎo)KTN從鐵電相快速相變到順電相寝并，KTN與其初始鐵電相相比具有高得多的透光率箫措。另一方面，直流電場(chǎng)導(dǎo)致所有
偶極簇的有效排列衬潦，以形成均勻的單疇鐵電態(tài)斤蔓，實(shí)現(xiàn)沒(méi)有任何光學(xué)散射的高光學(xué)透明度。更重要的是镀岛，即使在關(guān)閉所施加的直流電壓之
后弦牡，該單疇鐵電相中的高光學(xué)透明度也可以在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)保持得很好。在本實(shí)驗(yàn)中還對(duì)比了有電場(chǎng)和無(wú)電場(chǎng)時(shí)KTN帶隙對(duì)透光率的
影響漂羊，發(fā)現(xiàn)交流電場(chǎng)下KTN的帶隙小于直流電場(chǎng)下KTN的帶隙驾锰。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于更好理解電場(chǎng)作用下的相變機(jī)制以及改進(jìn)設(shè)備性能有重
要的意義。
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鉭酸鉀鈮酸鹽是鉭酸鉀和鈮酸鉀的固溶體走越，由于其在許多功能器件中的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。然而眾所周知，與其他常規(guī)晶體不同捻悯，生
長(zhǎng)高質(zhì)量的KTN晶體極其困難匆赃，因?yàn)樵谏L(zhǎng)過(guò)程中涉及來(lái)自熔融成分的不同成分。到目前為止今缚，還沒(méi)有有效的方法來(lái)解決KTN質(zhì)量問(wèn)
題算柳，這大大限制了它在功能器件中的實(shí)際應(yīng)用。
這篇文章報(bào)道了在沒(méi)有電場(chǎng)的情況下姓言，與初始晶體相比瞬项，由交流或直流電場(chǎng)引起的光學(xué)透明度的顯著改善。發(fā)現(xiàn)使用交流電場(chǎng)的相關(guān)機(jī)
理與使用直流電場(chǎng)完全不同何荚〈蚜埽基于劉洪亮老師課題組的結(jié)果，得出結(jié)論餐塘，交流電場(chǎng)誘導(dǎo)快速四方到立方相變妥衣，而直流電場(chǎng)引起所有偶極
簇的有效排列，以形成均勻的單疇鐵電狀態(tài)戒傻，即使在關(guān)閉施加的直流電壓后税手，該狀態(tài)也可以非常好地保持至少35分鐘。順電立方和單
疇鐵電相都能夠?qū)崿F(xiàn)高得多的光學(xué)透明度需纳，這是由于KTN晶體的高光學(xué)質(zhì)量而沒(méi)有任何光學(xué)散射。為了更好地理解吸收對(duì)透光率的影
響不翩，還研究了有電場(chǎng)和無(wú)電場(chǎng)時(shí)的帶隙能量兵扬，發(fā)現(xiàn)交流感應(yīng)的帶隙能量小于直流電場(chǎng)感應(yīng)的帶隙能量。
圖1（a）KTN樣品顯微圖像口蝠、透射光譜和拉曼光譜同時(shí)測(cè)量和分析的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖器钟。THL:鹵鎢燈；ccd:電荷耦合器件亚皂；BS:分束
器俱箱；OL:物鏡国瓮；IRT:紅外線溫度計(jì)灭必；M:鏡子；S:光譜儀乃摹；LS:激光源禁漓；NF:陷波濾波器；VS:電壓源孵睬。插圖顯示了樣品隨溫度變化的介電常
數(shù)播歼。
如上圖為劉洪亮老師課題組搭建的系統(tǒng)光路實(shí)驗(yàn)圖。來(lái)自鹵鎢燈(THL)的一束白光被分束器(BS1)反射，然后通過(guò)另一個(gè)分束器(BS2)和
物鏡(OL)照射到KTN樣品秘狞。透射光由分光計(jì)收集，以測(cè)量樣品的透光率光譜烁试。同時(shí)雇初，樣品的照明區(qū)域由OL成像到一個(gè)CCD相機(jī)上。對(duì)
于拉曼測(cè)量减响，532納米的激光束被陷波濾波器和BS2重定向到OL靖诗，后者將激光束聚焦到樣品中。拉曼信號(hào)由同一個(gè)OL收集支示，并在從BS2
反射并通過(guò)NF后發(fā)送到另一個(gè)光譜儀(S2刊橘，Nanobase XperRam200)。
用KTN樣品研究了外加交流電場(chǎng)對(duì)改善光傳輸?shù)挠绊懰毯琛娜鐖D2(a)所示的顯微圖像中促绵，我們觀察到鐵電疇結(jié)構(gòu)(即90°疇)處于初始階段
(無(wú)電場(chǎng))在13.6℃，表明樣品為其四方鐵電相据途。這也與溫度相關(guān)的介電常數(shù)(圖1(a)插圖)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致绞愚，然而，通過(guò)施加頻率為
20kHz的交流電壓颖医，由于介電損耗效應(yīng)引起的快速溫度上升位衩，鐵電疇結(jié)構(gòu)立即消失(幾秒鐘內(nèi))。關(guān)閉交流電場(chǎng)把溫度降到13.6℃之后(大
約在2分鐘內(nèi))熔萧，我們觀察到鐵電疇的更明顯的存在糖驴，由于與極化電荷相關(guān)的自由能最小化，鐵電疇可以持續(xù)大約1小時(shí)贮缕。在上述三個(gè)階
段，我們同時(shí)測(cè)量樣品的光學(xué)透射光譜俺榆，如圖2（b）所示感昼。初始階段的樣品最大透射率為85%。在第二階段罐脊，當(dāng)打開(kāi)交流電壓樣品透
明度變大定嗓，光學(xué)透射率達(dá)到95%，這是因?yàn)榻涣麟妶?chǎng)有效去除了鐵電疇萍桌。在關(guān)閉交流電壓的第三階段宵溅，由于出現(xiàn)了更多引起光散射效
應(yīng)的鐵電疇，樣品的透光率下降(約42%)上炎。
為了更好地理解與透光率變化相關(guān)的機(jī)理恃逻，我們進(jìn)一步研究了樣品的拉曼光譜，如圖2(c)所示。三個(gè)鐵電特征峰為202 cm-1寇损，
1278cm-1和553cm-1凸郑，分別對(duì)應(yīng)A1(2TO)模式、B1+E(3TO)模式和A1(3TO)模式矛市，這在沒(méi)有交流電場(chǎng)的初始階段和第三階段均發(fā)
現(xiàn)线椰，證明這兩種狀態(tài)處于鐵電四方相。然而尘盼，在有交流電場(chǎng)的第二階段，位于278cm-1的特征峰消失(如圖2(c)的插圖所示)卿捎，而另外兩
個(gè)特征峰202 cm-1和553cm-1明顯變?nèi)跖渥稀＿@些變化表明樣品從四方相轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎较啵瑥亩鴮?dǎo)致光學(xué)透射率顯著提高(如圖2(b)所示)午阵。
文章信息
這一成果以“High transparency induced by electric fields using KTN crystals”為題發(fā)表的躺孝，南開(kāi)大學(xué)大學(xué)武鵬飛教授和劉洪亮老
師為論文的通訊作者。本研究中拉曼光譜使用的是昊量光電獨(dú)家代理的Nanobase XperRam S共聚焦光電測(cè)試系統(tǒng)底桂。
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