钽酸钾铌酸盐KTa1-xNbxO3(KTN)有巨大的电光效应，但是由于其较低的透光率限制了KTN晶体在功能器件中的应用。南开大学刘洪
亮老师课题组报道了由交流(AC)或直流(DC)电场引起的高光学透明度的观察。
一方面交流电场诱导KTN从铁电相快速相变到顺电相，KTN与其初始铁电相相比具有高得多的透光率。另一方面，直流电场导致所有
偶极簇的有效排列，以形成均匀的单畴铁电态，实现没有任何光学散射的高光学透明度。更重要的是，即使在关闭所施加的直流电压之
后，该单畴铁电相中的高光学透明度也可以在某个时间段内保持得很好。在本实验中还对比了有电场和无电场时KTN带隙对透光率的
影响，发现交流电场下KTN的带隙小于直流电场下KTN的带隙。这些发现对于更好理解电场作用下的相变机制以及改进设备性能有重
要的意义。
钽酸钾铌酸盐是钽酸钾和铌酸钾的固溶体，由于其在许多功能器件中的潜在应用而备受关注。然而众所周知，与其他常规晶体不同，生
长高质量的KTN晶体极其困难，因为在生长过程中涉及来自熔融成分的不同成分。到目前为止，还没有有效的方法来解决KTN质量问
题，这大大限制了它在功能器件中的实际应用。
这篇文章报道了在没有电场的情况下，与初始晶体相比，由交流或直流电场引起的光学透明度的显著改善。发现使用交流电场的相关机
理与使用直流电场完全不同。基于刘洪亮老师课题组的结果，得出结论，交流电场诱导快速四方到立方相变，而直流电场引起所有偶极
簇的有效排列，以形成均匀的单畴铁电状态，即使在关闭施加的直流电压后，该状态也可以非常好地保持至少35分钟。顺电立方和单
畴铁电相都能够实现高得多的光学透明度，这是由于KTN晶体的高光学质量而没有任何光学散射。为了更好地理解吸收对透光率的影
响，还研究了有电场和无电场时的带隙能量，发现交流感应的带隙能量小于直流电场感应的带隙能量。
图1（a）KTN样品显微图像、透射光谱和拉曼光谱同时测量和分析的实验系统示意图。THL:卤钨灯；ccd:电荷耦合器件；BS:分束
器；OL:物镜；IRT:红外线温度计；M:镜子；S:光谱仪；LS:激光源；NF:陷波滤波器；VS:电压源。插图显示了样品随温度变化的介电常
数。
如上图为刘洪亮老师课题组搭建的系统光路实验图。来自卤钨灯(THL)的一束白光被分束器(BS1)反射，然后通过另一个分束器(BS2)和
物镜(OL)照射到KTN样品。透射光由分光计收集，以测量样品的透光率光谱。同时，样品的照明区域由OL成像到一个CCD相机上。对
于拉曼测量，532纳米的激光束被陷波滤波器和BS2重定向到OL，后者将激光束聚焦到样品中。拉曼信号由同一个OL收集，并在从BS2
反射并通过NF后发送到另一个光谱仪(S2，Nanobase XperRam200)。
用KTN样品研究了外加交流电场对改善光传输的影响。从如图2(a)所示的显微图像中，我们观察到铁电畴结构(即90°畴)处于初始阶段
(无电场)在13.6℃，表明样品为其四方铁电相。这也与温度相关的介电常数(图1(a)插图)的实验数据一致，然而，通过施加频率为
20kHz的交流电压，由于介电损耗效应引起的快速温度上升，铁电畴结构立即消失(几秒钟内)。关闭交流电场把温度降到13.6℃之后(大
约在2分钟内)，我们观察到铁电畴的更明显的存在，由于与极化电荷相关的自由能最小化，铁电畴可以持续大约1小时。在上述三个阶
段，我们同时测量样品的光学透射光谱，如图2（b）所示。初始阶段的样品最大透射率为85%。在第二阶段，当打开交流电压样品透
明度变大，光学透射率达到95%，这是因为交流电场有效去除了铁电畴。在关闭交流电压的第三阶段，由于出现了更多引起光散射效
应的铁电畴，样品的透光率下降(约42%)。
为了更好地理解与透光率变化相关的机理，我们进一步研究了样品的拉曼光谱，如图2(c)所示。三个铁电特征峰为202 cm-1，
1278cm-1和553cm-1，分别对应A1(2TO)模式、B1+E(3TO)模式和A1(3TO)模式，这在没有交流电场的初始阶段和第三阶段均发
现，证明这两种状态处于铁电四方相。然而，在有交流电场的第二阶段，位于278cm-1的特征峰消失(如图2(c)的插图所示)，而另外两
个特征峰202 cm-1和553cm-1明显变弱。这些变化表明样品从四方相转变为立方相，从而导致光学透射率显著提高(如图2(b)所示)。
文章信息
这一成果以“High transparency induced by electric fields using KTN crystals”为题发表的，南开大学大学武鹏飞教授和刘洪亮老
师为论文的通讯作者。本研究中拉曼光谱使用的是昊量光电独家代理的Nanobase XperRam S共聚焦光电测试系统。
您可以通过我们的官方网站了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532。
展示全部 
