Блог

Nov 23, 2023

Правила проектирования сильного электро

npj Расчетные материалы

npj Расчетные материалы, том 6, Номер статьи: 130 (2020) Цитировать эту статью

5892 Доступа

18 цитат

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Взрывной рост кремниевой фотоники привел к возобновлению интереса к электрооптическому (ЭО) или эффекту Поккельса из-за его потенциального использования во многих приложениях устройств следующего поколения. Чтобы найти материалы с сильным откликом на ЭО в форме тонких пленок, которые необходимы для устройств малой мощности и малой занимаемой площади, необходимо найти общее правило проектирования для прочных материалов Pockels. Чтобы выяснить, что делает эффект Поккельса сильным, мы изучаем этот эффект в LiB3O5 (LBO) и CsB3O5 (CBO) и используем эти материалы в качестве типичных примеров того, где общепринятые представления не работают. Мы обнаружили, что компоненты тензора Поккельса чрезвычайно малы в обоих материалах, несмотря на большую степень ангармоничности в кристаллах, которая использовалась в качестве показателя присутствия нелинейных электронных эффектов. Отсутствие ответа ЭО мы связываем с большими частотами оптических фононов (несмотря на относительно большую рамановскую восприимчивость) в LBO и с малой рамановской восприимчивостью (несмотря на низкие фононные частоты) в CBO соответственно. Мы проливаем свет на основные физические явления, лежащие в основе рамановской восприимчивости, которая, по нашему мнению, тесно связана с силой электрон-фононного взаимодействия приграничных электронных состояний, и определяем путь к открытию новых сильных ЭО-материалов.

Замечательная способность нецентросимметричного кристалла изменять свой показатель преломления в ответ на приложенное электрическое поле, известная как эффект Поккельса1, в последние годы стала предметом растущих исследований из-за его потенциала для облегчения высокоскоростных и маломощных процессов. электрооптическая модуляция в приложениях интегрированной фотоники2,3,4,5,6, включая внутричиповую передачу данных, оптические чипы с нейроморфной логикой7 и фотонные интегральные схемы для квантовых вычислений8,9. Будучи линейным по полю, эффект Поккельса, или линейный электрооптический (ЭО), эффект сосуществует с гораздо меньшим эффектом Керра10 (который является вторым порядком по полю) и с генерацией второй гармоники (ГВГ). Эффект Поккельса чаще всего используется для оптической модуляции в телекоммуникационной отрасли, где LiNbO3 (LNO) с незафиксированным коэффициентом Поккельса r51 = 33 пм/V11 является в настоящее время «золотым стандартом» материала1,12,13. Однако из-за сложности интеграции LNO14,15,16,17 на Si перовскитные титанаты в последнее время стали основным объектом как теоретических18,19,20,21,22, так и экспериментальных7,17,23,24,25,26. 27,28,29,30,31,32 исследования по использованию эффекта Поккельса в кремниевой фотонике. Основное внимание в этих усилиях уделялось BaTiO3 (BTO) из-за его интегрируемости с Si (001)27,28,33 и его очень большого незажатого эффекта Поккельса (r42 = 1300 пм/V34), который может сохранять объемные значения. даже в тонких пленках7.

Крайне важно найти материалы с большим откликом Поккельса, чтобы уменьшить энергопотребление и/или размер интегрированных ЭО-устройств. Однако, поскольку в настоящее время неясно, какой механизм обеспечивает чрезвычайно высокую реакцию BTO по сравнению с другими материалами, поиск потенциально лучших альтернатив до сих пор продолжался скорее эмпирически.

Недавние теоретические исследования эффекта Поккельса в перовскитных титанатах18,19,20 предлагают систематический путь вперед. Фредриксон и др.19 исследовали инженерию деформации в BTO. Они обнаружили критические двухосные деформации, при которых отклик Поккельса расходится и определенные фононные моды становятся мягкими. Хамзе и Демков18 изучили то же явление в напряженном SrTiO3 (STO) и посредством анализа параметров моды Грюнайзена связали ангармонизм (мягкие моды) с возникающим откликом ЭО35,36. Paillard и др.20 сообщили об аналогичном поведении реакции на ЭО напряженного PbTiO3 (PTO). Все эти кристаллы имеют общие мягкие фононы и большой кристаллический ангармонизм. Одномерная модель ангармонического осциллятора эффекта Поккельса37 показывает, что параметр Поккельса прямо пропорционален коэффициенту члена ангармонической силы, что усиливает предполагаемую связь между ангармонизмом и реакцией ЭО. Учитывая, что в этих материалах в эффекте Поккельса преобладает решетка, подходящим показателем качества является отношение рамановской восприимчивости и квадрата фононной частоты. Таким образом, можно вывести следующее правило проектирования: сильно ангармонические, нецентросимметричные кристаллы должны проявлять сильный эффект Поккельса.