南京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)發(fā)明用激光3D打印納米鐵電疇

近日，南京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種新型非互易飛秒激光極化納米鐵電疇技術(shù)，并在鈮酸鋰晶體中成功演示了激光3D打印納米鐵電疇，相關(guān)工作以"Femtosecond laser writing of lithium niobate ferroelectric nanodomains"為題發(fā)表在2022年9月15日的《Nature》上。這一工作是該團(tuán)隊(duì)在發(fā)展激光擦除鐵電疇工藝并制備出首個(gè)鈮酸鋰三維非線性光子晶體（Nature Photon. 12, 596 (2018); Nature Commun. 10, 4193 (2019); Light Sci. Appl. 10, 202 (2021); Optica 8, 372 (2021)）之后的又一重大突破。論文通訊作者為南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院張勇教授，第一作者為頊曉?xún)x博士和王天新同學(xué)，論文工作得到了肖敏教授和祝世寧教授的悉心指導(dǎo)，上海理工大學(xué)顧敏教授和南京大學(xué)吳迪教授提供了重要支持，合作者還包括上海理工大學(xué)方心遠(yuǎn)副教授和中山大學(xué)魏敦釗副教授等。

飛秒激光3D打印納米鐵電疇

鈮酸鋰得益于其優(yōu)越的透射譜范圍、非線性光學(xué)系數(shù)、電光和壓電性能，是下一代5G/6G通訊和光子芯片的重要載體。特別的是，在鈮酸鋰晶體中制備鐵電疇結(jié)構(gòu)，在非線性光學(xué)、聲學(xué)濾波器、非易失鐵電存儲(chǔ)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。早在上個(gè)世紀(jì)八十年代，南京大學(xué)的研究小組就采用晶體生長(zhǎng)條紋技術(shù)在鈮酸鋰晶體中得到了周期為幾微米的鐵電疇陣列結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了準(zhǔn)相位匹配原理，開(kāi)啟了周期極化鈮酸鋰晶體（又稱(chēng)非線性光子晶體）在激光變頻、量子光源等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。要進(jìn)一步提升鈮酸鋰鐵電疇器件的性能，亟需在三維空間實(shí)現(xiàn)納米精度的鐵電疇結(jié)構(gòu)可控制備。然而，受限于傳統(tǒng)加工技術(shù)，該問(wèn)題一直是困擾研究人員的巨大挑戰(zhàn)。

此次，南京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種新型非互易激光極化鐵電疇技術(shù)，將飛秒脈沖激光聚焦于鈮酸鋰晶體內(nèi)部進(jìn)行直寫(xiě)，得到了納米線寬的三維鐵電疇結(jié)構(gòu)。在直寫(xiě)過(guò)程中，鈮酸鋰晶體在高強(qiáng)度激光作用下發(fā)生多光子吸收，導(dǎo)致局部晶體溫度升高，既使得鈮酸鋰晶體的局域矯頑場(chǎng)降低，又在晶體內(nèi)部形成了一個(gè)有效電場(chǎng)。在二者共同作用下，晶體內(nèi)部形成一個(gè)有效區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)鐵電疇極化反轉(zhuǎn)。同時(shí)，有效電場(chǎng)方向的分布特性決定了激光直寫(xiě)鐵電疇具有非互易特性，即沿不同方向直寫(xiě)可以實(shí)現(xiàn)不同線寬的鐵電疇極化以及反極化。研究人員利用這一特性設(shè)計(jì)了不同的加工工藝，在三維空間上均實(shí)現(xiàn)了突破衍射極限的鐵電疇線寬控制，實(shí)驗(yàn)中成功制備出線寬為100 nm ~ 400 nm的條形鐵電疇和尖端寬度為30 nm的楔形鐵電疇。同時(shí)，還演示了鐵電疇結(jié)構(gòu)從一維向二維和三維的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)了高效非線性光束整形。此外，該加工方法得到的鐵電疇具有良好的穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)兩年的時(shí)效處理或者300℃高溫處理后依然穩(wěn)定存在。

這一工作將飛秒激光極化技術(shù)與鈮酸鋰鐵電疇工程有機(jī)結(jié)合，突破了傳統(tǒng)技術(shù)的壁壘，首次在三維空間實(shí)現(xiàn)了納米鐵電疇可控制備。將其應(yīng)用于量子光學(xué)領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)高效、高維和窄線寬量子糾纏產(chǎn)生；在電子學(xué)領(lǐng)域，可以推動(dòng)高性能鐵電疇壁納米電子器件的發(fā)展，譬如大容量可重寫(xiě)非易失性存儲(chǔ)器；在聲學(xué)領(lǐng)域，納米周期的鐵電疇結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)超高頻聲學(xué)諧振器和濾波器。飛秒激光極化技術(shù)可以進(jìn)一步應(yīng)用于其他鐵電晶體，包括鉭酸鋰和磷酸鈦鉀晶體等，并促進(jìn)高性能三維光、聲、電集成器件的發(fā)展。

該項(xiàng)研究工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。

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