Unlocking the electro–optic potential of ferroelectrics: advanced domain and phase manipulation

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作者
Long Chen,Xiaoming Shi,Jiyang Xie,Yao Wu,Yuming Bai,Yankang Cheng,Suwan Li,Guanlong Zhu,Zhao Wang,Yongming Hu,Longhai Wang,Laijun Liu,Tao Wang,Wanbiao Hu,Biaolin Peng,Houbing Huang,Xuhui Meng,Qiuyun Fu,Shenglin Jiang,Wen Dong
出处
期刊:Journal of Advanced Ceramics [Springer Science+Business Media]
卷期号:14 (11): 9221180-9221180 被引量:2
标识
DOI:10.26599/jac.2025.9221180
摘要

Ferroelectric materials are highly promising for next-generation electro-optic (EO) modulators due to their ultrafast and efficient light modulation. However, efforts to maximize polarization freedom for large refractive index modulation—through domain engineering, epitaxial strain, and defect engineering—have hit limitations, leaving intrinsic polarization mechanisms largely unexplored. Here, we report a giant effective EO coefficient (~233.5 pm/V) in PbZr0.52Ti0.48O3 (PZT) films, surpassing all reported values measured under an in-plane electric field and significantly exceeding the theoretical limit (~13 pm/V) as well as the value of LiNbO3 (~31 pm/V). Beyond conventional domain switching, phase transitions and domain wall variations critically enhance the EO effect. The PZT film's highly-relaxed structure, with mixed [001] and [100] orientations and disordered nanoscale phases, enables unprecedented polarization control. This unique configuration breaks the theoretical EO coefficient limit, bridging the gap between predictions and experimental results. With its high Curie temperature and compatibility with wafer-scale fabrication, PZT emerges as a promising candidate for next-generation high-performance EO modulators. Our findings not only advance the frontiers of ferroelectric EO materials but also pave the way for exploring other ferroelectric thin-film devices, such as those for energy storage and electrocaloric cooling, by leveraging enhanced polarization modulation mechanisms.
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