PLZT透明电光陶瓷梯度组分设计及场致滞后效应研究

Lanthanum modified lead zirconate titanate (PLZT) transparent ceramics has been extensively applied in electro-optic modulation devices of optical communication, due to the excellent electro-optic behavior. However, PLZT has limitation of application in high-speed dynamic control devices due to poor time stability caused by field-induced hysteresis of electro-optic behavior. In this project, we put forward the design idea of gradient component electro-optic ceramic, and establish the control method of gradient component distribution, and develop the PLZT gradient electro-optic ceramics with excellent electro-optic characteristics and small hysteresis by controlling the component fluctuations of the A-site micro regions and enhancing the PNRs effects. To explore the mechanism of the gradient structure, the evolution of the PNRs and field-induced hysteresis, and clarify the inherent mechanism of the generation and the overcoming of the field induced hysteresis. This project will be carried out to solve the application limitations of PLZT ceramics in the dynamic response devices, providing the basis and theoretical support for electro-optic ceramic applications to meet the needs of national defense science and technology and optical communication technology.

PLZT透明陶瓷由于具有优异的电光特性，可以广泛应用到光通信领域的高速电光调制器件。然而，由于PLZT的电光性能具有场致滞后效应，导致器件时效稳定性略差，限制其在动态控制电光器件方面的应用。针对场致滞后这一瓶颈问题，本项目提出梯度组分电光陶瓷设计思路，建立梯度组分分布的调控方法，通过调控A位离子微区组分起伏, 增强纳米极性微区效应, 研制电光特性优异、无明显响应滞后的PLZT梯度电光陶瓷。探索梯度组分结构、纳米极性微区演变运动与电光响应滞后的作用机制，阐明场致滞后产生与克服的内在机理。本项目的开展将解决PLZT陶瓷电光特性在动态响应方面应用的局限性，为电光陶瓷满足国防科技和光通讯技术的应用需求提供基础与理论支撑。

PLZT透明电光陶瓷由于具有优异的电光特性，可以广泛应用到光通信领域的高速电光调制器件。目前国内的电光陶瓷由于在光学品质和电光性能的稳定性等方面还存在不足，阻碍了后续基于电光陶瓷的高速电光调制器的研制开发，因此尚无相关产品，高技术领域（如激光相控阵雷达、惯约激光系统等）应用的高速电光调制器只能依赖国外高价进口。其中在电光性能稳定性方面，由于PLZT具有场致滞后效应，导致器件时效稳定性差，限制其在动态控制电光器件方面的应用。针对PLZT电光陶瓷的场致滞后效应，项目开展了两部分研究内容。一是梯度电光陶瓷研制；二是基于PLZT电光陶瓷的离子掺杂改性研究。.取得的研究进展包括： .采用热压烧结方法成功制备了梯度组分电光陶瓷，研制的梯度PLZT电光陶瓷显示出致密的结构和良好的光学透过率；梯度组分PLZT残余应力各向异性研究结果表明垂直方向比水平方向残余压应力更大，退火处理后压应力显著降低；针对微量A位梯度组分难以检测的问题，设计了铁电微区点阵的测试方法，验证了PLZT梯度组分的层状分布成功实现；梯度PLZT相比单组分PLZT，铁电回线出现特殊的束腰现象，在低电场强度时滞后明显减小，电光特性更加显著；虽然Ba2+与Nb5+离子掺杂后，PLZT陶瓷的二次电光系数有所减少，但仍在应用范围内，而铁电滞后大大减少，证明了改性PLZT陶瓷材料有望在电光调制装置中有得到更广泛应用。而梯度组分PLZT电光陶瓷的研制目前还没有相关报道，相关研究结果推动了材料未来在动态调制方面的应用。