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Lasergefertigte Kristalle in Glas sind ferroelektrisch

Kristalle, die in Glas eingeschlossen sind, behalten kontrollierbare ferroelektrische Eigenschaften

30.01.2019

Keith Veenhuizen, Sean McAnany, Rama Vasudevan, Daniel Nolan, Bruce Aitken, Stephen Jesse, Sergei V. Kalinin, Himanshu Jain and Volkmar Dierolf

Ferroelektrische Einkristallarchitektur-in-Glas ist eine neue Klasse von Metamaterialien, die eine aktive integrierte Optik ermöglichen würden, wenn das ferroelektrische Verhalten innerhalb der Grenzen von Glas erhalten bleibt. Wir demonstrieren mit Lithiumniobatkristallen, die in Lithiumniobosilikatglas durch Femtosekunden-Laserbestrahlung hergestellt werden, dass nicht nur dieses Verhalten erhalten bleibt, sondern auch die ferroelektrischen Domänen mit einer Gleichstromvorspannung ausgeführt werden können. Zur Charakterisierung des piezoelektrischen und ferroelektrischen Verhaltens wird ein Piezoresponse-Kraftmikroskop verwendet. Die Piezoresponse korreliert mit der Ausrichtung des Kristallgitters, wie sie für nicht begrenzte Kristalle erwartet wird, und es wird eine komplexe mikro- und nanoskalige ferroelektrische Domänenstruktur der gezüchteten Kristalle sichtbar.

Ein Forscherteam von der Lehigh University, dem Oak Ridge National Laboratory, dem Lebanon Valley College und der Corning Inc. hat zum ersten Mal nachgewiesen, dass Kristalle, die von Lasern innerhalb einer Glasmatrix hergestellt werden, die volle ferroelektrische Funktionalität beibehalten.

"Dazu gehört die Fähigkeit, die ferroelektrischen Domänen mit einem elektrischen Feld einheitlich zu orientieren und rückwärts auszurichten, obwohl der Kristall durch das umgebende Glas stark begrenzt ist", sagt Volkmar Dierolf, Vorsitzender des Physikalischen Instituts der Lehigh University und einer der Wissenschaftler, die an den Experimenten arbeiteten, die zu diesen Erkenntnissen führten.

Dierolf, der eine gemeinsame Ernennung mit Lehigh's Department of Materials Science and Engineering Teil des P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science hält, ist Co-Principal Investigator an einem von der National Science Foundation (NSF) geförderten Projekt, Crystal in Glass, zusammen mit Principal Investigator Himanshu Jain, Diamond Distinguished Chair of Lehigh's Department of Materials Science and Engineering. Die Gruppe ist weltweit führend bei der Herstellung von Einkristallen aus Glas durch lokalisierte Laserstrahlung.

Das Team führte die erste detaillierte Untersuchung der piezoelektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften von laserinduzierten Kristallen in Glas durch. Sie fanden heraus, dass die gewachsenen Kristalle eine komplexe ferroelektrische Domänenstruktur besitzen, die durch die Anwendung einer DC-Bias manipuliert werden kann.

"Die Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit einer neuen Reihe von optischen Geräten, die voll funktionsfähige lasergefertigte Kristalle in Glas verwenden, die auf der präzisen Kontrolle der ferroelektrischen Domänenstruktur des Kristalls beruhen", sagte Keith Veenhuizen, derzeit Assistant Professor, Department of Physics am Lebanon Valley College und Hauptautor der Arbeit, die auf der Arbeit aufbaut, die er als Doktorand in Lehigh geleistet hat.

Anwendungen für diese Technologie umfassen den Einsatz in der modernen Glasfasertechnologie zur Datenübertragung.

"Die Möglichkeit, solche funktionalen Einkristallarchitekturen in ein Glas einzubetten, ermöglicht eine hocheffiziente Kopplung an bestehende Glasfasernetze", sagt Dierolf. "Solche verlustarmen Verbindungen, die die Leistung maximieren, sind von besonderer Bedeutung für zukünftige Quanteninformationstransfersysteme, die die derzeitigen Systeme für die optische Kommunikation übernehmen sollen", ergänzt Dierolf.

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