钙钛矿结构弛豫铁电陶瓷的光色效应的机理研究及其在智能材料方面应用的探索

多功能钙钛矿结构压电、铁电陶瓷属于优良的智能材料系列。尽管该系列材料优良的电响应，热响应，机械响应均得到了广泛的研究与应用，但作为智能材料系列的研究和应用，尚处刚刚起步阶段。较强的光色效应在该系列中的代表性材料-镧代锆钛铅驰豫铁电陶瓷中早已被发现，但深入的微观机制的认识仍然缺乏。作为"特智能(very smart)"成员的PZT与 PLZT材料，对其光色效应的微观机制的深入认识不仅对其智能新应用至关重要，对该系列材料的其他功能的有效利用也是有利的，尤其在开发基于此材料系列的微纳器件与系统方面意义深远。本课题以PZT陶瓷和无掺杂与掺稀土PLZT等光学陶瓷为对象，研究其光色效应的微观机制。利用光谱分析的方法，认识其微观陷阱以及极化子的分布，进而对宏观散射的增加与透射的减少将给予理论解释。以此为基础，采用微加工技术及电场可调性，探讨设计可重复使用，低成本的中波红外与长波红外智能激光卡与探测器。

智能材料是功能材料中较新的一个子类，以自适应性为其特征。一般认为，智能材料是随着外部环境，包括其自身条件的变化，而按预先设定的方式响应的材料。当材料的两个以上物理参数随外界与自身条件而发生显著变化，即可视为智能材料。与此密切相关的有智能结构与智能器件的概念。就材料“智能度”而论，驰豫铁电陶瓷被认定为“特智能(very smart)”成员。智能材料在近十年的国际材料研究协会年会上都备受重视，也为我国的自然科学基金委所青睐。从发展的眼光看，能够拓展智能材料与结构的应用无疑有重要意义。.本课题从“特智能”的PZT与 PLZT材料的显著的光色效应及其微观机制的研究入手，旨在探索近带隙光（紫外与短波可见光）辐照下透射率的明显下降，表面层折射率的可观的减小以及辐照所致的反常色散效应的物理机制。揭示出热释电与体光伏效应推动下的表面电荷积累与丰富的载流子陷阱均对上述的三种物理变化有明显贡献。利用光谱分析、双光束实时探测以及热与红外擦除等方法，系统研究了该类智能材料的外在特性与内部微观机制。此外，利用脉冲激光器激励，观察到极化子与陷阱分布之间的关系，为光致变色效应提供了微观物理机制诠释，为进一步合理利用此智能特性奠定了理论基础。基于此效应，我们设计了一种基于全内反射的紫外转换器。充分利用技术成熟价格低廉的硅基探测器来实现高灵敏紫外阵列探测，且省去了阵列加工工序。该项发明已申报专利。.在探索上述物理参量随外界激励变化起因的过程中，发现了稀土掺杂PLZT材料的发光特性随外界激励的明显变化。这一发现不仅为认识该类超智能特性的物理起因提供了新的窗口，也为其智能应用增加了新的一维空间。有趣的是在外部光照下，样品的散射可以急剧增加，以至于产生随机激光振荡，且观察到局部振荡区域。明显的背向上转换发光增强预示了安德森定域效应的前身，为该类材料的智能应用提供了新途径。.为进一步认证静电改性的物理起因，我们还探索了纳米层静电改性相关的新一代类智能结构与智能器件。外加电场改性的纳米尺度的半导体材料对毗邻的对电（磁）场高灵敏的液晶层之作用，将光栅记录时间缩短了两个量级。这可用于设计弱电或弱磁敏感的智能结构。与PLZT材料系统结合，可以对热敏与长波光敏探测提供思路。我们还利用亚纳米厚的石墨烯结合铌酸锂的光生电场与极化电场，设计了基于表面等离激元的光控结构。此项工作的自然延伸会产生适于微热与微光响应的智能结构。