[論文レビュー] Large Enhancements in Optical and Piezoelectric Properties in Ferroelectric Zn1-xMgxO Thin Films through Engineering Electronic and Ionic Anharmonicities

Rui Zu, Gyung Hyun Ryu+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2023

Advanced Fiber Optic Sensors被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、電子的およびイオン的非調和性を工学的に制御することにより、Zn1-xMgxO薄膜におけるMgドーピングが光学的および圧電的特性を同時に向上させることを示している。第二高調波生成（SHG）が50%増加し、圧電係数が200%向上し、バンドギャップが30%上昇した。これは、電子的非調和性が400%増加し、イオン的非調和性が200%低減したことによるものであり、紫外線準位相一致高調波生成およびドメイン工学されたデバイスの実現を可能にした。

ABSTRACT

Multifunctionality as a paradigm requires materials exhibiting multiple superior properties. Integrating second-order optical nonlinearity and large bandgap with piezoelectricity could, for example, enable broadband, strain-tunable photonics. Though very different phenomena at distinct frequencies, both second-order optical nonlinearity and piezoelectricity are third-rank polar tensors present only in acentric crystal structures. However, simultaneously enhancing both phenomena is highly challenging since it involves competing effects with tradeoffs. Recently, a large switchable ferroelectric polarization of ~ 80 uC cm-2 was reported in Zn1-xMgxO films. Here, ferroelectric Zn1-xMgxO is demonstrated to be a platform that hosts simultaneously a 30% increase in the electronic bandgap, a 50% enhancement in the second harmonic generation coefficients, and a near 200% improvement in the piezoelectric coefficients over pure ZnO. These enhancements are shown to be due to a 400% increase in the electronic anharmonicity and a ~200% decrease in the ionic anharmonicity with Mg substitution. Precisely controllable periodic ferroelectric domain gratings are demonstrated down to 800 nm domain width, enabling ultraviolet quasi-phase-matched optical harmonic generation as well as domain-engineered piezoelectric devices.

研究の動機と目的

• 大きなバンドギャップ、強い二階光学非線形性、高い圧電応答を併せ持つ多機能酸化物プラットフォームの開発を目的とする。
• フェロエレクトリック材料において、光学的および圧電的特性を向上させる際の本質的トレードオフを克服することを目的とする。
• ZnOにおけるMg置換を用いて電子的およびイオン的非調和性を工学的に制御し、複数の機能的特性を同時に向上させることを目的とする。
• ナノスケール制御可能な周期的フェロエレクトリックドメイングレーティングを実現し、非線形光学および圧電デバイスへの応用を検証することを目的とする。

提案手法

• ZnO薄膜へのMgドーピングによりフェロエレクトリシティを誘発し、電子的およびイオン的非調和性を調整する。
• 第一原理計算および有効ハミルトニアンモデルを用いて、Mg含有量に応じた非調和性の変化を予測・分析する。
• 脈動レーザー蒸着法を用いて、制御されたMg含有量および歪みを有するエpitaxial Zn1-xMgxO薄膜を成長させる。
• 走査プローブ顕微鏡および圧電応答力顕微鏡を用いて、800 nm周期まで分解能を発揮するフェロエレクトリックドメイン構造をイメージング・特徴付ける。
• 第二高調波生成測定を用いて、非線形光学的応答の増強を定量的に評価する。
• 準位相一致高調波生成に向けた極化スイッチングおよびドメイン工学の分析を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZnOにおけるMgドーピングにより、非調和性工学を応用することで、第二高調波生成、圧電応答、バンドギャップを同時に向上させることができるか？
• RQ2 電子的およびイオン的非調和性はMg置換に伴いどのように変化するか？ また、それらの変化が機能的特性に与える影響は何か？
• RQ3 Zn1-xMgxOにおいて、周期的フェロエレクトリックドメイングレーティングをどの程度までナノスケールで設計可能か？ これにより、準位相一致非線形光学プロセスが実現可能か？
• RQ4 非調和性と観測された圧電係数の200%向上との間にどのような関係があるか？
• RQ5 ドメイン工学されたZn1-xMgxO薄膜は、調整可能な紫外線フォトニクスおよびナノスケールアクチュエータの実用的応用を支えることができるか？

主な発見

• Mgドーピングにより、Zn1-xMgxO薄膜の第二高調波生成係数が50%向上し、強い非線形光学的応答を示した。
• 純粋なZnOと比較して、圧電係数がほぼ200%向上し、優れた電機械的結合性を示した。
• Mg置換に起因して、電子的バンドギャップが30%上昇し、広帯ギャップ特性が強化された。
• 電子的非調和性は400%増加した一方、イオン的非調和性は約200%低下し、これにより機能的特性の向上が説明された。
• 800 nmまで狭い周期のフェロエレクトリックドメイングレーティングが実現され、紫外線準位相一致高調波生成が可能になった。
• 本結果により、Zn1-xMgxOが歪み調整可能なフォトニクスおよびナノスケール圧電デバイスの多機能プラットフォームとして確立された。