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Nov 23, 2023

강한 전기를 위한 설계 규칙

npj 전산재료

npj Computational Materials 6권, 기사 번호: 130(2020) 이 기사 인용

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실리콘 포토닉스의 폭발적인 증가로 인해 많은 차세대 장치 응용 분야에서의 잠재적인 용도로 인해 전기 광학(EO) 또는 포켈 효과에 대한 관심이 다시 높아졌습니다. 저전력 및 작은 설치 공간 장치에 필수적인 얇은 필름 형태의 강력한 EO 반응을 갖는 재료를 찾으려면 강한 포켈 재료에 대한 일반적인 설계 규칙을 찾아야 합니다. 포켈스 효과를 강하게 만드는 요인을 밝히기 위해 우리는 LiB3O5(LBO) 및 CsB3O5(CBO)의 효과를 연구하고 이러한 물질을 기존 통념이 무너지는 원형 사례로 사용합니다. 우리는 비선형 전자 효과의 존재에 대한 프록시로 사용되는 결정의 불일치 정도가 높음에도 불구하고 두 재료 모두에서 Pockels 텐서 구성 요소가 매우 작다는 것을 발견했습니다. 우리는 LBO의 큰 광학 포논 주파수(상대적으로 큰 라만 민감성에도 불구하고)와 CBO의 작은 라만 민감성(낮은 포논 주파수에도 불구하고)에 각각 EO 응답의 부족을 관련시킵니다. 우리는 라만 감수성 이면의 근본적인 물리적 현상을 밝히고, 이는 가장자리 근처 전자 상태의 전자-포논 결합 강도와 밀접하게 연관되어 있음을 발견하고, 새로운 강력한 EO 물질을 발견하는 경로를 식별합니다.

포켈스 효과(Pockels effect)로 알려진, 인가된 전기장에 반응하여 굴절률을 변경하는 비대칭 결정의 놀라운 능력은 고속, 저전력을 가능하게 하는 잠재력으로 인해 최근 몇 년간 점점 더 많은 연구 대상이 되어 왔습니다. 칩 내 데이터 전송, 뉴로모픽 논리 광학 칩7 및 양자 컴퓨팅용 광자 집적 회로8,9를 포함한 통합 포토닉스 애플리케이션2,3,4,5,6의 전기 광학 변조. 필드에서 선형인 Pockels 또는 선형 전기 광학(EO) 효과는 훨씬 작은 Kerr 효과10(필드의 2차) 및 2차 고조파 생성(SHG)과 공존합니다. 포켈스 효과는 통신 산업에서 광 변조에 가장 일반적으로 사용되며, 여기서는 클램프되지 않은 포켈스 계수 r51 = 33pm/V11을 갖는 LiNbO3(LNO)가 현재 "최적 표준" 물질입니다1,12,13. 그러나 Si에 LNO14,15,16,17을 통합하는 복잡성으로 인해 페로브스카이트 티타네이트는 최근 이론적18,19,20,21,22 및 실험7,17,23,24,25,26의 주요 주제가 되었습니다. 27,28,29,30,31,32 Si 포토닉스에서 포켈스 효과의 사용에 관한 연구. 이러한 노력의 주요 초점은 Si(001)27,28,33과의 통합성과 벌크형 값을 유지할 수 있는 매우 큰 고정되지 않은 포켈스 효과(r42 = 1300pm/V34)로 인해 BaTiO3(BTO)였습니다. 얇은 필름에서도7.

통합 EO 장치의 전력 소비 및/또는 크기를 줄이기 위해서는 포켈 반응이 큰 재료를 찾는 것이 가장 중요합니다. 그러나 현재로서는 어떤 메커니즘이 다른 재료에 비해 BTO의 극도로 높은 반응을 이끌어내는지 명확하지 않기 때문에 잠재적으로 더 나은 대안에 대한 탐색은 지금까지 다소 경험적으로 진행되어 왔습니다.

페로브스카이트 티타네이트18,19,20의 포켈스 효과에 대한 최근 이론적 연구는 체계적인 방법을 제시합니다. Fredrickson 등19은 BTO에서 변형 공학을 탐구했습니다. 그들은 포켈스 반응이 갈라지고 특정 포논 모드가 부드러워지는 중요한 이축 변형을 발견했습니다. Hamze와 Demkov18은 변형된 SrTiO3(STO)에서 동일한 현상을 연구했으며, 긴급 EO 반응에 대한 부조화(소프트 모드)와 관련된 모드 Grüneisen 매개변수 분석을 통해 연구했습니다35,36. Paillard et al.20은 변형된 PbTiO3(PTO)의 EO 반응에서 유사한 거동을 보고했습니다. 이 결정은 모두 공통적으로 부드러운 포논과 큰 결정 불일치성을 가지고 있습니다. 포켈스 효과(37)의 1차원 비조화 발진기 모델은 포켈스 매개변수가 불협화음 힘 항의 계수에 직접적으로 비례하여 불조화성과 EO 응답 사이의 가정된 관계를 강화한다는 것을 보여줍니다. 이러한 물질에서 포켈스 효과는 격자에 의해 지배된다는 점을 고려하면 적절한 성능 지수는 라만 민감도와 포논 주파수 제곱의 비율입니다. 따라서 다음과 같은 설계 규칙을 추론할 수 있습니다. 고도로 불협화음이고 중심대칭이 아닌 결정은 큰 포켈 효과를 나타내야 합니다.