1. 痛点问题
铌酸锂得益于其优越的透射谱范围、非线性光学系数、电光和压电性能,是下一代5G/6G通讯和光子芯片的重要载体。特别的是,在铌酸锂晶体中制备铁电畴结构,在非线性光学、声学滤波器、非易失铁电存储等领域有广泛的应用前景。要进一步提升铌酸锂铁电畴器件的性能,亟需在三维空间实现纳米精度的铁电畴结构可控制备。然而,受限于传统加工技术,该问题一直是困扰研究人员的巨大挑战。
2. 解决方案
南京大学的研究团队发展了一种新型非互易激光极化铁电畴技术,将飞秒脉冲激光聚焦于铌酸锂晶体内部进行直写,得到了纳米线宽的三维铁电畴结构。在直写过程中,铌酸锂晶体在高强度激光作用下发生多光子吸收,导致局部晶体温度升高,既使得铌酸锂晶体的局域矫顽场降低,又在晶体内部形成了一个有效电场。在二者共同作用下,晶体内部形成一个有效区域,可以实现铁电畴极化反转。同时,有效电场方向的分布特性决定了激光直写铁电畴具有非互易特性,即沿不同方向直写可以实现不同线宽的铁电畴极化以及反极化。研究人员利用这一特性设计了不同的加工工艺,在三维空间上均实现了突破衍射极限的铁电畴线宽控制,实验中成功制备出线宽为100 nm ~ 400 nm的条形铁电畴和尖端宽度为30 nm的楔形铁电畴。同时,还演示了铁电畴结构从一维向二维和三维的结构转换,并实现了高效非线性光束整形。此外,该加工方法得到的铁电畴具有良好的稳定性,经过两年的时效处理或者300℃高温处理后依然稳定存在。
3. 竞争优势分析
这一新技术,突破了传统飞秒激光的光衍射极限,把光雕刻铌酸锂三维结构的尺寸,从传统的 1 微米量级,首次缩小到纳米级,达到 30 纳米,大大提高了加工精度。
这一工作将飞秒激光极化技术与铌酸锂铁电畴工程有机结合,突破了传统技术的壁垒,首次在三维空间实现了纳米铁电畴可控制备。这一重大发明,未来或可开辟光电芯片制造新赛道,有望用于光电调制器、声学滤波器、非易失铁电存储器等关键光电器件芯片制备,在 5G / 6G 通讯、光计算、人工智能等领域有广泛的应用前景。
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