国家工程中心在铁电氧化铪二阶非线性研究取得重要进展

文:陈科羽 图:毕磊 / 来源:电子学院 / 2019-02-13 / 点击量:4148

  近日,我校国家电磁辐射控制材料工程技术研究中心(邓龙江团队)毕磊教授在国际著名期刊《ACS Nano》上发表题为“Enhanced second harmonic generation from ferroelectric HfO2-based hybrid metasurfaces”的研究论文。中心博士生秦俊和硕士生黄飞(已毕业)为该论文的共同第一作者,电子科技大学为第一通讯单位,合作研究单位包括南开大学、湖南大学、新加坡南洋理工、荷兰内梅亨大学和加拿大科学研究院。《ACS Nano》是材料与化学领域的顶级期刊,2018年影响因子为13.709。

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基于铁电Y:HfO2的二阶非线性超构表面和二次谐波产生实验测试结果

  二阶非线性光学材料广泛应用于光学混频、二次谐波产生,以及电光调制等非线性光学器件中,是光学系统的核心材料。随着硅基光电子、超构表面等集成光电系统的发展,构建高效率的二阶非线性纳米光源是集成光学领域研究的热点问题。然而,常规的二阶非线性光学材料与半导体材料和工艺不兼容,其晶体尺寸也限制了纳米光学结构的研制,导致硅上集成二阶非线性光学材料和纳米光源成为领域发展的一大难题。

  近年来,铁电氧化铪材料由于与CMOS工艺兼容、尺寸小(厚度3~20 nm)、带隙宽(5eV)、紫外透明等优势引起众多的研究关注。但对其的主要研究集中在微电子存储和逻辑器件领域,而在非线性光学领域的研究工作仍然是空白。考虑到铁电氧化铪的中心非对称性晶体结构,我们预测其具有二阶非线性光学效应,并通过构建基于铁电Y:HfO2薄膜的超构表面,引入强局域谐振模式实现二次谐波产生增强。我们在硅上制备了铁电Y:HfO2基超构表面,并观测到了结构的二次谐波产生。我们发现非线性超构表面结构较单层铁电氧化铪薄膜二次谐波产生强度提高了近20倍。同时,我们观测到基于铁电氧化铪的超构表面比基于非铁电氧化铪的超构表面结构有3倍的二次谐波产生增强。通过对实验结果的数值计算,我们首次报道了铁电Y:HfO2薄膜的二阶非线性系数为6pm/V,与传统的LiNbO3、BaB2O4材料的二阶非线性系数相近,证明这一材料作为硅基集成二阶非线性光学材料的应用潜力。这一研究为发展新型硅基集成非线性光学材料和结构提供了新的思路。

  毕磊教授主要研究方向为集成光学材料和器件,包括非互易光学材料和器件、相变材料、透明导电氧化物材料及集成光学器件等。他在Nature Photonics,ACS Nano,Nano Letters,ACS Photonics,Physics Review B等期刊上发表60余篇学术论文,多次担任国际会议非互易光学材料和器件分会主席和作邀请报告,担任Nature Communications,Appl. Phys. Lett.,Opt. Express等10余个SCI期刊评审。获美国发明专利授权2项,中国发明专利授权2项。

  秦俊,电子科技大学电子科学与工程学院在读博士,主要研究方向为磁光纳米光学,超构表面器件。已在ACS Nano,ACS Photonics等期刊上发表10余篇学术论文。现赴美国麻省理工学院联合培养。

  黄飞,电子科技大学电子科学与工程学院硕士,已毕业。主要研究方向为铁电HfO2薄膜生长和表征。在Phys. Chem. Chem. Phys., IEEE Elect. Dev. Lett.等期刊上发表多篇学术论文。毕业后已赴美国斯坦福大学攻读博士学位。



编辑:王晓刚  / 审核:王晓刚  / 发布者:陈伟