中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近年來(lái)，壓電光子學(xué)作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域吸引了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。壓電光子學(xué)器件具有遠程檢測、無(wú)損分析和可重復性等優(yōu)點(diǎn)，在應力傳感、新型光源和顯示、結構健康診斷、三維手寫(xiě)等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。
近期，中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所王龍飛研究員針對該領(lǐng)域的研究進(jìn)行了綜述分析，在《中國科學(xué)》期刊發(fā)表了題為“壓電光子學(xué)效應及其應用”的綜述文章，介紹了壓電光子學(xué)效應的基本原理、材料體系以及壓電光子學(xué)器件的研究進(jìn)展，并對這一學(xué)科的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。
壓電光子學(xué)和最近開(kāi)發(fā)的先進(jìn)柔性光電應用器件示意圖
壓電光子學(xué)效應的基本原理及材料體系
壓電光子學(xué)效應是壓電半導體中的壓電特性和光激發(fā)的耦合效應，是利用強壓電場(chǎng)調控局部能帶結構、激發(fā)摻雜引入的發(fā)光中心進(jìn)而控制發(fā)光過(guò)程。
壓電光子學(xué)效應為新光源、智能觸覺(jué)傳感和機械光子學(xué)等重要技術(shù)提供了研究基礎，尤其結合第三代、第四代半導體材料同時(shí)具有壓電效應和半導體特性的優(yōu)勢，有望實(shí)現高性能的力-致發(fā)光器件。
壓電光子學(xué)效應的原理及其應用
壓電光子學(xué)器件的研究進(jìn)展
基于多模發(fā)光材料實(shí)現可視化和非接觸式傳感對于柔性光電子、信息加密和基礎設施監控至關(guān)重要。然而，光學(xué)傳感器的發(fā)展受到高性能發(fā)光功能材料的限制。在光電傳感應用方面，Zhao等人通過(guò)將過(guò)渡金屬和鑭系元素離子共摻雜，成功合成了基于四元壓電光子半導體MZnOS (M=Ca, Sr, Ba)微晶的高效智能多模發(fā)光材料。結果表明，這種多功能光學(xué)材料在先進(jìn)的光學(xué)傳感和防偽應用中具有巨大潛力。
Zhao等人提出的基于四元壓電光子半導體微晶的高效智能多模發(fā)光材料
在發(fā)光器件應用方面，Wong等人提出了一種結合磁效應和壓電光子學(xué)效應的新概念磁致發(fā)光（MIL），開(kāi)發(fā)了由磁致動(dòng)器和發(fā)光顆粒組成的MIL復合層壓板。該層壓板由金屬離子摻雜的ZnS+PDMS和Fe-Ni-Co合金+PDMS組成，通過(guò)應變與介導的耦合，從復合材料中觀(guān)察到MIL現象。這種新型器件能夠感測或轉換動(dòng)態(tài)磁動(dòng)作，且無(wú)需對設備使用外部電源。該器件為遠程磁光傳感器、存儲設備、能量收集器、無(wú)損環(huán)境監視和刺激響應多模態(tài)生物成像等提供了更多的可能性。
Wong等人提出的基于應變介導和力致發(fā)光的磁致發(fā)光效應示意圖
在生化領(lǐng)域，壓電光子材料吸收的短激光脈沖產(chǎn)生的光聲（PA）波被證明可使角質(zhì)層對大分子和蛋白質(zhì)產(chǎn)生滲透作用。壓電光子材料的特點(diǎn)是高光壓轉換效率和隨著(zhù)激光脈沖持續產(chǎn)生PA波，這些特征相結合產(chǎn)生了具有陡峭壓力梯度的寬帶壓力波，能夠使角質(zhì)層滲透。Sá等人使用具有大的格呂尼森系數的薄型材料改善了光壓轉導，并在這些材料中加入一種染料，該染料提升了壓電光子材料的性能，使角質(zhì)層對大分子和蛋白質(zhì)能夠瞬時(shí)滲透。
Sá等人開(kāi)展的基于壓電光聲（PA）效應的應用研究
研究展望
壓電光子學(xué)的研究工作目前取得了很大進(jìn)展，不過(guò)，仍有許多問(wèn)題值得關(guān)注。（1）在機理上，深入理解這種普遍的能量轉換機制依舊至關(guān)重要，同時(shí)，進(jìn)一步提高通過(guò)外部機械刺激收集到的能量也非常必要。（2）在材料方面，應變場(chǎng)的引入為半導體材料的多場(chǎng)耦合研究打開(kāi)了一扇嶄新的大門(mén)。結合壓電光子學(xué)效應和第三代、第四代半導體，有望實(shí)現新突破。此外，二維壓電半導體材料具有優(yōu)越的柔韌性和機械強度，以及自身超薄特性帶來(lái)的優(yōu)異光學(xué)透明度和對外部刺激的快速響應，這些性質(zhì)在開(kāi)發(fā)超薄和柔性發(fā)光器件方面至關(guān)重要。（3）在器件設計方面，可以通過(guò)精準構筑原子層級結構的可控制備和二維應力設計，發(fā)展原子級三維應力調控和外延應力固化的新方法，通過(guò)精準設計與調控器件內的應力分布，將外應力轉換為晶體結構應力穩定固化，開(kāi)發(fā)預應力封裝等技術(shù)充分利用應力應變產(chǎn)生的壓電極化。（4）由于壓電光子學(xué)是壓電半導體的壓電特性和光激發(fā)雙向耦合的結果，需要設計具體的實(shí)驗方法和標準來(lái)表征壓電光子學(xué)效應和量化相關(guān)材料和器件系統的特性，這將有利于建立合成新型應力發(fā)光材料和探究相關(guān)器件應用的指導方針和發(fā)展路線(xiàn)，進(jìn)一步促進(jìn)壓電光子學(xué)的發(fā)展。
