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【www.85058.com】秦亦强教授、张超副教授、朱永元

发布时间:2019-12-01 11:00编辑:产品评测浏览(109)

    最近,现代工程与应用科学学院秦亦强教授、张超副教授团队、物理学院朱永元教授课题组通力合作在非线性光学成像领域取得了进展,提出了一种利用二次谐波直接观测无规铁电畴结构的新型方法,并在理论和实验上得到了验证。该研究工作已被Physical Review Letters接收发表。https://journals.aps.org/prl/accepted/0d078Y9fQbc1326161359af1b887f1ccd67a15544

    本网讯 近日,湘潭大学材料科学与工程学院铁电材料研究团队在铁电材料畴结构表征方面的研究取得了重要进展,相关成果以Characterization of domain distributions by second harmonic generation in ferroelectrics为题发表在npj Computational Materials期刊上。该期刊由中国科学院上海硅酸盐研究所与英国自然出版集团以伙伴关系合作出版, 影响因子为8.941。论文的第一作者是材料科学与工程学院博士研究生张园,钟向丽教授、周益春教授和袁建民教授为共同通讯作者。这一成果标志着湘大在铁电材料畴超快动力学研究方面有了进一步的突破。

    www.85058.com,铁电材料由于其压电、热电和光电方面的特殊性质而在许多研究领域中有着广泛的应用。微观结构决定宏观功能,因此对铁电畴结构的表征技术逐渐成为一个热点课题。经过几十年的发展,包括电子显微镜、线性光学成像和非线性光学成像等方法,已经广泛地运用于观测畴结构。然而这些方法在实际研究和应用中仍存在一定局限性,比如说线性光学方法由于正负畴的折射率相同,需要先对样品腐蚀来改变畴壁周围的相关特性,这就对会样品造成损伤;再比如基于Talbot和Cherenkov效应的一些非线性光学方法,只适用于周期结构或者是需要配合焦点扫描的手段才能成像,无法直接对一般的无规畴结构进行观测。

    铁电材料中畴动力学是铁电器件的物理基础。然而,真实的器件中铁电畴的反转和运动速度一般在皮秒量级(10-12秒),这使得铁电畴反转的实时观测极其困难。为了攻克这一难题,周益春教授提出了用飞秒激光作为探测手段来破解。这一想法的基本出发点是:飞秒激光是具有时域脉冲宽度在飞秒量级的激光。基于飞秒激光的泵浦探测手段具有超高的时间分辨率,是一种可能用于探测铁电畴这一超快动力学过程的好手段。它在时间分辨率上的巨大优势使得其对运动速度在皮秒量级的铁电畴的跟踪依然游刃有余。相比其它畴动力学探测手段,基于飞秒激光探测方法除了探测速度优势外,在探测效率方面也有明显提升,尤其对于铁电器件中大规模畴稳定性的无损评估相当具有潜力。

    利用铁电畴畴壁在非线性成像过程中的特殊衍射性质,研究人员提出了一种简单的非线性成像方法,能够直接并实时地观测二维无规铁电畴结构。该工作主要分为理论和实验两部分。理论上主要从衍射方程出发,对铁电畴畴壁的二次谐波衍射特性进行了理论分析,给出了一对正负畴的倍频传输场强分布的解析解,发现畴壁处的倍频像始终呈暗场。通过进一步的理论分析,发现畴壁的倍频像线宽在一定区域内与传播距离的平方根成正比,与正常的远场衍射过程相比畴壁像的展宽得到了极大的抑制,为直接成像提供了可能性。在此基础上,将单一畴结构推广到复杂的无规则畴结构,进一步通过数值仿真模拟二次谐波成像证实了传输过程中畴界的近似无衍射性质。该工作的实验部分主要以钽酸锂为例,用900nm的飞秒激光打到样品上,在CCD中可以直接收集到450nm的倍频畴结构像,其中畴界显示为暗场。结果表明,可以在百微米范围内连续观测到畴结构的清晰倍频像,其中衍射效应确实得到了很好的抑制。

    基于以上的想法,湘潭大学铁电材料研究团队与国防科技大学袁建民教授领导的团队密切合作,发展了基于飞秒激光的铁电畴分布表征的新方法:方位角-偏振依赖光学二次谐波探测方法。他们收集了不同样品方位角和入射光偏振角下铁电薄膜产生的光学二次谐波信号,并建立了相关的方位角-偏振依赖光学二次谐波模型;通过拟合测得的相关实验数据与理论模型,确定了71°和109°畴壁的菱方相BiFeO3,及四方相BiFeO3、Pb(Zr0.2Ti0.8)O3和BaTiO3等铁电薄膜复杂或简单的畴结构,并准确获得了该畴结构的分布情况。此项工作开发了一种优化的全光学方法,能准确得到铁电薄膜中的铁电畴结构及分布情况,可用来跟踪和评估铁电器件中铁电畴的演变过程。该文近期发表于npj Computational Materials 4: 39 (2018)。此工作是铁电研究团队在这个方向的工作之一,还有一系列基于飞秒激光的超快探测相关工作在向前推进。

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    据了解,湘大铁电材料研究团队近一年以来还在柔性铁电材料、新型多铁材料等多个方向均取得了突破性进展,相关工作分别发表在Science Advances 3, e1700121 (2017) 和Nature Communications 9, 658 (2018)上。

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