山東大學晶體材料研究所趙顯教授課題組：壓電晶體研究取得進展

【成果簡介】

近日，國際著名期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（簡稱「PNAS」）在線發表了晶體材料國家重點實驗室趙顯教授課題組與美國布朗大學Gerald J. Diebold教授課題組的合作研究成果「Photoacoustic trace detection of gases at the part-per-quadrillion level with a moving optical grating」。該工作利用晶體材料國家重點實驗室生長的三硼酸鉍（α-BiB3O6，BIBO）晶體，設計了中心頻率為443 kHz的壓電換能器件用於光聲氣體檢測。不同於傳統的光聲氣體檢測裝置，該工作首次使用以聲速運動的光柵作為光聲激發源，最大化了光聲轉化效率，並通過特殊的光聲諧振腔設計，整合了光柵、換能器件和諧振腔三方的諧振特性，實現了對SF6氣體萬億分之一級（750 ppq）的痕量探測。

【圖文導讀】

圖1 性能表徵

鎖定放大器輸出與N2中的三種氣體和Ar中的SF6（頂部曲線，SF6 I）的摩爾分數。

圖2 性能表徵

任意單位（a.u.）的電壓輸出與α-Bi3O6晶體的光柵頻率。

【研究內容】

BIBO晶體屬於單斜晶系，較難生長，長期以來一直是作為非線性光學晶體來研究的，壓電性質研究非常少見。山東大學2016級博士研究生陳菲菲在趙顯教授和於法鵬副教授的指導下，優化了單晶生長工藝，在短周期一個月內生長得到大尺寸優質單晶。研究發現該晶體不僅具有較高的壓電常數（deff=40 pC/N; geff=0.54 V?m/N和機械品質因子Q(~10000)，而且在-100℃到600℃範圍內具有良好的電彈性能溫度穩定性。利用該晶體較強的縱向振動模式，研究團隊設計了光聲探測用壓電換能器元件，成功實現了對具有快速振動弛豫的分子氣體SF6的光聲信號測量。該項研究開發了三硼酸鉍晶體在壓電領域的新應用。

該工作得到了國家自然科學基金、山東大學基本科研業務經費和晶體材料國家重點實驗室的支持。

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