基于压电效应的光电子集成技术研究进展（特邀）

压电效应是一种实现电能与机械能之间相互转换的重要物理现象。随着集成光电子技术和压电薄膜材料制备技术的日益成熟,压电效应在光电子集成芯片领域引起广泛的研究。在压电效应的作用下,外部电场可以操控薄膜材料的形变,从而改变折射率,实现光电调谐和声光调制。本文首先介绍常见压电薄膜材料及其研究进展,随后回顾和探讨基于压电效应的光电子集成器件的研究进展。最后,对压电调谐器件和声光调制器的应用进行介绍和展望,分析其大规模应用面临的挑战和问题。     

福建物构所分子基铁电晶体材料研究获新进展

铁电晶体是在居里温度以下电偶极子自发排列形成电畴,并可以随外加电场而使自发极化反向的一种材料。有极轴且无对称中心是铁电体的必要条件,因此,居里温度以下的铁电体必然也具有压电性。铁电材料对电信号表现出高介电常数,对温度改变表现出大的热释电响应,在应力或声波作用下具有强的压电效应     

基于铌酸锂压电弹光双效应的单晶体弹光调制器

为了克服Kemp型弹光调制器调制效率低、加工工艺困难及体积大等缺点,提出了采用铌酸锂(LiNbO3)晶体压电弹光双效应的单晶体弹光调制器的设计思想;根据压电振动理论和晶体光学原理,分析了晶体各物理量随空间变换的特性,推导了调制电压相位差振幅之间的关系,并对晶体切型和通光方向进行了优化,所设计的晶体尺寸为41 mm×7.7 mm×17.1 mm（x×y×z）,切割角为0°（x切）,通光方向z轴（光轴）,通过在x-z面施加与晶体谐振基频一致的周期性电压,产生沿x方向,频率为73.71 kHz的伸缩振动, 最后通过实验对所设计单晶体弹光调制器进行了验证;实验结果表明,对633 nm激光进行半波调制时,该弹光调制器所需调制电压为1.6 V;与基于钽酸锂(LiTaO3)且未进行切型优化的单晶体弹光调制器相比,调制电压下降了约4倍。     

弛豫铁电单晶的研究进展—压电效应的起源研究

由于具有优异的压电性能,弛豫铁电单晶自上世纪90年代问世以来即成为了铁电压电领域研究的热点材料,并被认为是研发下一代高性能换能器、传感器等器件的重要压电材料。弛豫铁电单晶不但压电常数可达2500 pC/N,约为软性Pb(Zr,Ti)O3(PZT)陶瓷的5倍,而且其电致应变滞后也远小于软性PZT陶瓷。因此,弛豫铁电单晶高压电性能的产生机理一直是铁电压电领域的研究热点。本文主要介绍了弛豫铁电单晶材料在近些年的发展,从本征压电效应(晶格压电畸变)的角度归纳总结了弛豫铁电单晶高压电效应的产生机理,着重探讨了弛豫铁电单晶的重要特点—剪切压电效应。在本征效应的基础上,本文对弛豫铁电单晶压电效应与晶体组分、切向以及温度的关系进行了分析。需要指出的是,目前基于本征角度对弛豫铁电单晶高压电效应的分析仍处于定性的阶段,因而还不能完全排除一些可能导致弛豫铁电单晶高压电效应的非本征物理机制。     

触觉如人类皮肤的纳米丝晶体管阵列

<正>一个美国工程师团队制成了敏感如皮肤的纳米晶体管阵列,可以将机械运动转换成电子信号,其灵敏程度可以与手指尖相比。对于研究机器人的专家来说,用电子学来重现人类的触觉是很困难的。现有的触觉传感器是利用在被触到时电阻值会改变的材料制成的,这种装置的分辨率低,其像素在1 mm左右。由美国佐治亚技术研究所(Georgia Institute of Technology)的Zhong Lin Wang所领导的团队利用压电效应这种独特的物理现象,将像素的尺寸减小到20—50μm,使灵敏度提高了至少30倍。     

极化电压对聚丙烯压电驻极体膜压电性能的影响

压电驻极体是具有压电效应的微孔结构空间电荷驻极体材料,其压电性能与材料的微结构和空间电荷密切相关.本文首先利用压缩气体膨化工艺对聚丙烯(PP)的微结构进行改性,然后利用接触极化方法,研究了极化电压与PP膜空间电荷密度之间的关系,及其对压电性能的影响.结果表明对于极化前厚度为100μm的PP膜,其内部建立有序空间电荷分布的阈值极化电压为2 kV;一旦有序空间电荷建立起来,PP膜即具有压电效应.随着极化电压的提高,PP膜的空间电荷密度逐步增大,压电效应显著增强.当峰值电压为8 kV时,PP膜电极上的电荷密度、准静态压电系数和品质因数FOMv(d33·g33)分别为0.56 mC/m2,379 pC/N和8.6(GPa)-1.PP压电驻极体膜的FOMv比聚偏氟乙烯(PVDF)铁电聚合物膜高2个量级以上,且声阻抗非常低(～0.025 MRayl),因此该压电膜在超声波发射-接收系统或脉冲-回波系统中具有明显的优势.     

BUCKLING ANALYSIS OF STRETCHABLE FERROELECTRIC THIN FILM ON ELASTOMERIC SUBSTRATES

The thin stiff films on pre-stretched compliant substrates can form wrinkles, which can be controlled in micro and nanoscale systems to generate smart structures. Recently, buck- led piezoelectric/ferroelectrie nanoribbons have been reported to show an enhancement in the piezoelectric effect and stretchability, which can be applied in energy harvesting devices, sensors and memory devices instead of polymeric polyvinylidine fluoride （PVDF）. This paper studies the buckling and post-buckling process of ferroelectric thin films bonded to the pre-stretched soft layer, which in turn lies on a rigid support. Nonlinear electromechanical equations for the buckling of thin piezoelectric plates are deduced and employed to model the ferroelectric film poled in the thickness direction. Two buckling modes are analyzed and discussed： partially de-adhered buck- ling and fully adhered buckling. Transition from one buckling mode to the other is predicted and the effect of piezoelectricity on the critical buckling condition of piezoelectric film is examined.     

利用光折变晶体的电光、压电效应实现2×2光开关的原理

讨论了在光折变LiNbO3晶体中建立电场控制的 2× 2直通交换开关的原理设计方案。通过控制读出光栅时外加电场的大小使读出光满足或偏离布拉格条件 ,从而控制衍射效率为 1或 0 ,实现开关的交换和直通操作。全面考虑了电场作用下晶体的压电和电光效应 ,基于衍射效率公式和光栅的布拉格条件 ,给出了为获得最佳衍射效率比时外加电场及写入光束比与记录角度间的关系曲线     

A MEMS-Based Piezoelectric Power Generator for Low Frequency Vibration Energy Harvesting

A novel power generator has been achieved to convert vibration to electrical energy via the piezoelectric effect. The generator obtained by micro fabrication process mainly consists of silicon based frame and composite cantilever. The prototype tested at resonant vibration generates 1.15μW of effective power to a 20.4-kΩ resistance load. The potential of this work is to offer miniaturization solutions for power generators, and with the proposed method the ambient ubiquitous vibration can be harvested effectively as endless energy source to form an integrated self-powering system.