近期，物理学院王军利教授团队在弛豫铁电晶体的全光极化研究中取得新进展，并在国际光学类顶级期刊Advanced Optical Materials发表题为“Optical induction and erasure of ferroelectric domains in tetragonal PMN-38PT crystals”的论文。
以Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PMN-PT）为代表的弛豫铁电晶体具有超高的压电常数和机电耦合系数，因此广泛应用于超声、水声、电子、自控和机械等领域。近年来的研究发现PMN-PT在非线性光学领域具有巨大潜力。通过该材料中铁电畴的周期反转，可以制备诸如压电声子晶体和非线性光子晶体等人工超晶格结构。其中声子晶体可实现声波过滤、噪音隔离和热输运等应用；而非线性光子晶体是激光产生和调控的重要工具，广泛应用在量子通讯、太赫兹技术、激光显示和生物医疗检测等领域。PMN-PT同时具备优异的压电和非线性光学性能，因此有望在单片晶体上同时集成机电、声学和非线性光学等效应，用于下一代多功能智能器件的研发。
然而，目前PMN-PT的周期极化是一个巨大的技术挑战。利用最常用的外加电场极化技术对PMN-PT进行周期极化，容易产生影响结构性能的90°畴壁，甚至导致晶体开裂。针对这一问题，物理学院先进光纤激光与激光微纳制造研究中心研究团队利用近红外飞秒激光直写技术，以四方相PMN-38PT晶体为研究对象，开展了PT弛豫铁电晶体的全光极化研究工作，解决了PMN-PT的周期极化难题，首次实现了PMN-PT的三维高精度周期极化。
近红外飞秒激光在PMN-38PT晶体中制备的三维周期极化结构。（a）利用倍频显微镜对该三维周期畴结构做的成像结果。（b）和（c）分别为该三维畴结构在黄色虚线框处的xoy截面图和蓝色虚线框处的yoz截面图。
上图中给出了全光极化制备的三维周期铁电畴结构。该结构总共七层，x、y和z三个方向的周期分别为5、10和24μm。利用飞秒激光直写技术，可以在厚度达1mm的PMN-PT晶体的任意深度处制备铁电畴结构。与电场极化技术相比，全光极化可以有效避免晶体开裂和90°畴转等现象，并且可以制备一维、二维和三维的铁电畴结构，具有高度的灵活性。
近红外飞秒激光在PMN-38PT晶体中制备的三维环状周期极化结构。（a）利用倍频显微镜对该三维周期畴结构做的成像结果。（b）和（c）为该三维畴结构在白色虚线框处的一排环状畴的yoz截面图和xoy截面图。（d）不同横向周期间隔的环状畴结构。周期小于环的直径时，相邻环状畴的重叠区域被后一个环状畴覆盖并擦除。（e）连续的小周期环状畴结构，重叠区域被擦除形成长U形畴结构。
另外，研究团队还发现飞秒激光不仅可以在焦点处诱导铁电畴反转，还可以在焦点外围产生环状铁电畴，并且该环状铁电畴还可以被直写光束擦除。通过系统的研究，研究团队提出了理论模型来对该现象进行解释。该研究结果有助于促进对PMN-PT中铁电畴结构形成过程的理解，同时也证明了激光直写技术是调控铁电畴结构的强有力手段。
参与本项工作的还包括澳大利亚国立大学、西安交通大学、德州A&M大学卡塔尔分校、中科院物理所等单位。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adom.202102115
