前沿｜一周晶体前沿—声光电热磁晶体

随着高功率激光和光通信技术的迅速发展, 如何消除光学系统内部产生的反射噪声变得至关重要。磁光隔离器是依据法拉第效应设计的磁有源器件，能够有效隔离大部分反射光以保证光学系统稳定工作，而法拉第磁光材料作为磁光隔离器的核心部件, 其研究和应用推动了磁光隔离器的发展。近期，天津理工大学马世会助理研究员研究团队和临沂大学王佳佳研究团队合作，设计并成功生长了新型 TbYO₃ 磁光晶体，系统研究了其磁光性能和导热特性。TbYO₃ 磁光晶体的维尔德常数分别为 106、242、394、564 rad·m⁻¹·T⁻¹（880、633、510 和 445 nm），是 TGG 晶体在相应波长菲尔德常数的 2.16 倍、1.70 倍、1.50 倍和 1.60 倍。相关研究成果以“Effective Faraday rotator based on the TbYO₃ crystal with a high Verdet constant and a high thermal conductivity”为题发表在Optics Letters上。

摘要：

为满足高功率激光发展的需求，迫切需要开发具有高维尔德常数和高导热率的高性能磁光晶体。本文中，研究人员首次采用激光浮区法生长了具有强磁光效应的 TbYO₃ 晶体，其在 880 nm 处的维尔德常数为 106 rad·m⁻¹·T⁻¹，是 TGG 晶体（49 rad·m⁻¹·T⁻¹）的 2.16 倍。此外，TbYO₃ 晶体的热导率达11.8 W·m⁻¹·K⁻¹，激光诱导损伤阈值达 1.59 GW·cm⁻²，这使得 TbYO₃ 晶体成为可见光-近红外波段具有应用前景的新型磁光材料。

文章信息：

J. L. Wu, K. L. Zheng, Y. Zhao, et al. Effective Faraday rotator based on the TbYO₃ crystal with a high Verdet constant and a high thermal conductivity, Opt. Lett., 2023, 48, 5313-5315.

DOI: 10.1364/OL.504243

摘要：

近年来，塑性/韧性无机热电（TE）材料为制备高效柔性热电器件开辟了新途径，这些器件可以充分利用人体和环境之间的小温差产生电能。然而，当前塑性/韧性 TE 材料的最大功率因子（PF）通常在 10 μW·cm^-1·K^-2 左右甚至更低，远低于典型的无机脆性 TE 材料。本文中，研究人员报道了塑料/韧性块体 SnSe₂ 基体块晶体在 375 K 的功率因子 PF，其值高达 18.0 μW·cm⁻¹·K⁻²，优于所有已报道的塑料无机 TE 材料和柔性有机 TE 材料。获得超高 PF 值的原因主要是在 Se 位置掺杂 Cl/Br 和在范德华间隙内嵌入 Cu 后改变了 SnSe₂ 二维范德华晶体的堆积形式，显著提高了载流子浓度和迁移率。在此基础上，研究人员成功制备了基于塑料/延展性 SnSe₂ 晶体全柔性 TE 器件，在 30 K 温差下，其最大功率密度高达 0.18 W·m⁻¹。这一结果表明，在柔性 TE 技术中塑料/韧性晶体可以实现超高 TE 功率因子和大的输出功率密度输出。

文章信息：

T. T. Deng, Z. Q. Gao, P. F. Qiu, et al. High thermoelectric power factors in plastic/ductile bulk SnSe₂-based crystals. Adv. Mater., 2023, 2304219.

DOI:10.1002/adma.202304219

时间反演对称性（TRS）对材料的光学、磁性、拓扑和传输属性至关重要。手性声子的特点是原子围绕平衡位置一直保持单向旋转，产生动态的晶格结构改变，从而打破 TRS。这种对称性破缺在强自旋-声子耦合的体系里理论上可以诱发晶体从顺磁性转变为磁性。近期，美国莱斯大学 Hanyu Zhu 研究团队研究了稀土卤化物中的手性声子，发现手性声子可以在氧化铈晶体中产生大型有效磁场（约为 1 特斯拉），使得顺磁性的氧化铈转化为磁性，而且这种磁性会随着手性声子手性的不同而翻转。该研究对于理解和利用声子调控量子材料的性质具有重要意义，尤其是在开发快速、高能效的磁光信息处理和存储系统方面。相关研究成果以“Large effective magnetic fields from chiral phonons in rare-earth halides”为题发表在Science上。

摘要：

时间反演对称性（TRS）对材料的光学、磁性、拓扑和传输特性至关重要。本文中，研究人员报道了由圆偏振太赫兹光脉冲驱动的相干手性声子，以类似于 1 特斯拉量级的准静态磁场极化氟化铈中的顺磁性自旋。通过时间分辨法拉第旋转和克尔椭偏率，发现瞬态磁化强度仅由与声子共振的脉冲激发，与声子的角动量成正比，并在低温下随磁化率增长。该研究可能为研究超快磁性、节能自旋电子学和 TRS 断裂物质的非平衡相提供新的途径。

文章信息：

J. M. Luo, T. Lin, J. J. Zhang, et al. Large effective magnetic fields from chiral phonons in rare-earth halides. Science, 2023, 382, 698-702.

DOI: 10.1126/science.adi9601

弛豫铁电体在很宽的温度范围内具有高介电常数、超高压电系数等优异性能，成为电容器和传感器等电子器件中关键核心材料，近几年来成为铁电领域的研究热点。同时，弛豫铁电单晶的组成和畴结构都比较复杂，其高压电活性对应的物理起源也一直是国内外关注的焦点。近期，哈尔滨工业大学张锐教授、孙恩伟副教授研究团队采用坩埚下降法生长了 PIN-PMN-PT 和 Mn：PIN-PMN-PT 晶体，系统研究了 Mn 作为低价态受主掺杂对该体系单晶的畴结构和介电弛豫的影响。相关研究成果以“The unexpected diffuse phase transition in relaxor-PbTiO₃ ferroelectrics via acceptor modification”为题发表在Applied Physics Letters上。

摘要：

弥散相变（DPT）和畴结构对弛豫铁电体的物理特性至关重要，且对离子掺杂非常敏感。目前，受主掺杂被认为是提高弛豫铁电材料性能的有效方法。本文旨在研究受体掺杂 Pb(In_1/2Nb_1/2)O₃-Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃ 晶体的 DPT 和畴结构。研究人员发现了一种异常的物理现象，即 Mn 掺杂可以增加介电弥散特性，减小畴尺寸，同时抑制介电弛豫。结果分析表明，Mn 掺杂通过提升随机电场强度来抑制极性纳米微区的生长，从而减小畴尺寸并增强介电弥散特性。同时，Mn 掺杂使弛豫时间函数重新分布，减小了介电弛豫。该研究不仅有利于加深对弛豫铁电晶体弥散相变物理机制的理解，也有助于设计和开发高性能压电材料。

文章信息：

X. D. Qi, K. Li, X. Cheng, et al. The unexpected diffuse phase transition in relaxor-PbTiO₃ ferroelectrics via acceptor modification. Appl. Phys. Lett., 2023, 123, 112902.

DOI: 10.1063/5.0162596

随着电子设备不断向更小型、高速和高性能发展，电子设备内部产生的热量也越来越高，热量管理问题已成为制约其发展的瓶颈。为了应对半导体器件日益增长的热管理挑战，迫切需要研发高热导率材料。在已知材料中，钻石的导热系数是最高的，达 2200 W/(m·K)，比硅（150 W/(m·K)）高得多，但制备成本也很高。目前，砷化硼被预测具有高的常温热导率（约 1400 W/(m·K)），同时具有较高的常温电子和空穴迁移率。近期，美国德克萨斯大学达拉斯分校 Bing Lv 研究团队采用助熔剂法生长了砷化硼晶体，与之前报道的化学气相传输（CVT）法相比，助熔剂法生长的晶体缺陷浓度更低，结晶质量更高。相关研究成果以“A flux growth technique for high quality cubic boron arsenide bulk single crystals”为题发表在Applied Physics Letters上。

摘要：

立方砷化硼（c-BAs）晶体具有高的室温热导率和迁移率而引起了人们的极大关注。目前报道的 c-BAs 晶体唯一的生长方法是 CVT 法，这种方法得到的晶体尺寸小，晶体质量难以控制，在一定程度上阻碍了其进一步发展。本文中，研究人员采用助熔剂法生长了高质量 c-BAs 晶体，采用液态砷作为反应介质得到了几毫米大小的晶体。X 射线衍射、拉曼散射、光致发光光谱和电输运等系统分析表明，与 CVT 法生长的晶体相比，助熔剂法生长的 c-BAs 晶体具有高的均匀性、较低的缺陷密度和较低的载流子浓度等特点。

文章信息：

P. Koirala, W. H. Liu, H. L. Wu, et al. A flux growth technique for high quality cubic boron arsenide bulk single crystals. Appl. Phys. Lett., 2023, 123, 201901.

DOI: 10.1063/5.0182307