PMN-PT基透明陶瓷中电畴结构和畴开关的观察及其二次电光效应的组分调控机制研究

The rare earth element La-doped Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT)-based transparent ceramics, show remarkable quadratic electro-optic effect and attractive application prospect in optical communication. The quadratic electro-optic effect was found significantly influenced by composition (solid solution ratio of PMN-PT and doping amount of La), however, the internal regulating mechanism is still far from clarified. This project intends to clarify the composition-regulating mechanism of quadratic electro-optic effect in PMN-PT-based transparent ceramics, via the observation of domain structure and domain switching. We intend to do in-situ observation of the domain structure in PMN-PT-based transparent ceramics under external electric field, by high resolution transmission electron microscope (HRTEM). The dynamic evolution of the nonpolar micro-area, polar nanometer-sized regions (PNRs) and the ferroelectric micro-domains in nanoscale during phase transition, will be emphatically studied. The effects to optical properties from the lattice structure, polarization orientation, types of domain wall and the distribution of the elements in the observation area, will be analyzed; the relationship between composition, domain structure and electro-optic properties will be revealed, and the composition-regulating mechanism of quadratic electro-optic effect in PMN-PT-based transparent ceramics will be clarified from the perspective of domain structure. The results of this project may enrich the knowledge about domain boundary dynamics, and provide theoretical guidance for property modification in PMN-PT-based transparent ceramics.

稀土La元素掺杂的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（PMN-PT）基透明陶瓷具备显著的二次电光效应，在光通信领域展现诱人的应用前景。组分（PMN-PT固溶配比和La掺杂浓度）对其二次电光效应具有显著的影响，然而其内在调控机制还远未明确。本项目拟通过对电畴结构和畴开关的观察，阐明组分对PMN-PT基透明陶瓷二次电光效应的调控机制。项目将采用高分辨透射电子显微镜（HRTEM），在外电场下原位观察PMN-PT基透明陶瓷的电畴结构，着重研究相变过程中非极性微区、极性纳米微区（PNRs）和纳米级铁电微畴的动态演变，分析所观察区域的晶格结构、极化方向、畴壁类型和元素分布等对光学性质的影响；揭示组分-电畴结构-电光性能之间的关系，从电畴结构的角度阐明PMN-PT基透明陶瓷二次电光效应的组分调控机制。本项目工作的开展可丰富畴界动力学知识，为PMN-PT基透明电光陶瓷的进一步改性提供理论指导。

组分对Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3（简称PMN-PT）基透明陶瓷透光率和二次电光效应的调控具有丰富的物理内涵，它本质上与电畴结构和电畴运动等密切相关，要理解PMN-PT基透明陶瓷二次电光效应的组分调控机制，需从电畴结构和电畴运动入手。. 本项目制备了不同固溶配比、不同稀土及掺杂浓度的PMN-PT基透明陶瓷，观察了PMN-PT基透明陶瓷各组分的晶粒微观形貌、分析了其晶格结构，测试了其介电、铁电、压电等电学性能以及透过率、电光系数等光学性能，采用酸腐蚀法、偏光显微镜、扫描电子显微镜、高分辨透射电镜等方法和仪器对PMN-PT基透明陶瓷的电畴结构进行了观察，探究了PMN-PT基透明陶瓷中组分-电畴结构-光学性能之间的关系。.（A）制备得到了透过率高达70%（理论透过率~71%）、二次电光系数~30×10−16 m2V−2的La掺杂0.88PMN-0.12PT透明陶瓷。其透过率及电光性能均与美国波士顿公司制备的PMN-PT基透明电光陶瓷的相当，已达到实用要求。.（B）制备得到了透过率高达70%、二次电光系数为11×10−16 m2V−2、压电常数为465 pC/N的发光多功能Pr掺杂PMN-PT基铁电透明陶瓷。该陶瓷可用于进一步开展压电-电光、铁电-发光多功能耦合的机理探究及相关电光器件的研发。.（C）探究了组分-电畴结构之间的关系。研究发现固溶配比可显著改变PMN-PT陶瓷的电畴构型。此外，稀土元素的掺杂能有效降低电畴尺寸。该研究结论在调控PMN-PT基透明陶瓷的电畴结构方面具有指导意义。.（D）探究了电畴结构-光学性能之间的关系。研究发现，在PMN-PT陶瓷中，较小的畴尺寸（<400 nm），且各向异性低的电畴构型（如不规则水痕状构型），有利于可见光的透过。此外，可以推测，只有适宜的电畴尺寸才可能有利于二次电光效应的增强。若电畴尺寸太大，在外电场作用下易形成宏畴降低透光率，又会在外电场撤去时不能自行恢复完全未极化状态；若电畴尺寸太小，电畴之间的相互作用太小，在微弱外电场作用下将不能形成有效光轴，不利于二次电光效应的提高。该研究结论在提高PMN-PT基透明电光陶瓷的透过率及二次电光效应方面具有指导意义。