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2021-07-21
【颗粒在线讯】近期，青岛大学物理科学学院张永成副教授团队经过多年研究，成功制备出高度透明Sm掺杂PMN-PT电光陶瓷。该陶瓷的透光率达70%（接近其理论极限71%）、电光系数35×10-16 m2/V2、半波电压113V、消光比32dB，综合性能优异。基于上述PMN-PT透明陶瓷材料，该团队还设计搭建了一套电光调制系统，实现了数字信号和模拟信号的电光调制以及在自由空间中的实时传输。
相关成果以"Ultra-transparent PMN-PT Electro-Optic Ceramics and its Application in Optical Communication"为题发表在国际光学领域著名期刊《Advanced Optical Materials》(影响因子IF=9.926；DOI:10.1002/adom.202002139)。该论文第一作者为硕士研究生房泽，通讯作者为张永成副教授，青岛大学物理科学学院为论文第一作者单位和通讯作者单位。
光通信是当前信息社会的主要通信方式，主要分为光纤光通信和空间光通信。空间光通信是构建天地一体化信息网络的重要组成部分，对维护国家安全、促进经济发展具有重大意义，已成为5G乃至6G时代的通信新战场。根据国家规划，到2030年我国将建成“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的天地一体化信息网络体系，实现天、空、地、海互联互通，服务于国防建设和社会发展。空间光通信由于链路距离远，激光的传输损耗大，需要大功率电光调制器。而高性能电光材料及大功率电光调制器件是空间光通信等领域的关键技术，也是制约我国该领域发展的瓶颈之一。
与传统电光材料LiNbO3、PLZT、LGS、BBO、KDP相比，豫铁电体铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）具有电光系数大、半波电压低、激光损伤阈值高、响应速度快等优点，是制备大功率、高速率电光调制器的理想材料，在空间光通信、强场激光物理、星载激光雷达、激光武器、材料激光加工等领域有重要应用前景。西安交通大学李飞等人通过交流极化工艺制备了兼具高压电系数、高电光系数和理论极限透光率的PMN-PT单晶，为研制高性能电光调制器、光学相控阵和量子光学器件提供了全新的关键材料，入选了2020年度中国科学十大进展。与单晶相比，陶瓷具有制备周期短、生产成本低、掺杂浓度高、组分均匀、器件加工简单、可制成尺寸大、形状复杂的制品等优点。但是高度透明陶瓷的制备非常困难，大大限制了PMN-PT透明陶瓷的应用。目前仅有美国Boston应用科技公司制备了高度透明PMN-PT陶瓷，并研发出一系列高性能电光器件，而国内尚未见实用化PMN-PT透明陶瓷及器件的报道。
“这个材料原先是被卡脖子的，原料是国外限购的，现在我们课题组十多年终于把它做出来了”，日前，张永成博士团队成员房泽就PMN-PT透明光电陶瓷接受青岛台采访时表示，“我们的PMN-PT材料目前在国内是领先的，国际上也仅次于美国的波士顿科技公司。”
高度透明PMN-PT电光陶瓷的成功制备，为研制高性能电光器件提供了核心材料，解决了原材料卡脖子的问题，将有助于我国新一代信息技术产业的发展。团队前期还研究了稀土元素La、Eu、Mn掺杂对PMN-PT透明电光陶瓷、压电陶瓷结构和性能的影响，研究了PMN-PT单晶中铁电畴在原位外加电场下的极化翻转过程。相关成果发表在J. Mater. Chem. C、Ceram. Int.、J. Mater. Sci.(封面论文) 等期刊上。
张永成，博士，副教授，硕士生导师，青岛大学青年卓越人才，主要从事铁电、压电、电光功能陶瓷材料研究。制备的铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）基透明电光陶瓷和压电陶瓷的各项性能达到国内领先、国际先进水平。基于自主制备的PMN-PT透明电光陶瓷开发出原型电光器件、实现了自由空间光通信；基于自主制备的PMN-PT基压电陶瓷设计制作出高频医学超声探头，实现血管壁的超声成像和检测。
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