Engineering Electro‐Optic BaTiO3 Nanocrystals via Efficient Doping

材料科学 兴奋剂 光电子学 钛酸钡 折射率 离子 介电谱 极化(电化学) 密度泛函理论 电化学 电极 电介质 物理化学 计算化学 化学 物理 量子力学
作者
Sasa Wang,Tong Zhu,Randy P. Sabatini,Amin Morteza Najarian,Muhammad Imran,Ruyan Zhao,Pan Xia,Lewei Zeng,Sjoerd Hoogland,Dwight S. Seferos,Edward H. Sargent
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (47): e2207261-e2207261 被引量:16
标识
DOI:10.1002/adma.202207261
摘要

Abstract Electro‐optic (EO) modulators provide electrical‐to‐optical signal conversion relevant to optical communications. Barium titanate (BaTiO 3 ) is a promising material system for EO modulation in light of its optical ultrafast nonlinearity, low optical loss, and high refractive index. To enhance further its spontaneous polarization, BaTiO 3 can be doped at the Ba and Ti sites; however, doping is often accompanied by ion migration, which diminishes EO performance. Here, donor–acceptor doping and its effect on EO efficiency are investigated, finding that La‐doped BaTiO 3 achieves an EO coefficient of 42 pm V −1 at 1 kHz, fully twice that of the pristine specimen; however, it is also observed that, with this single‐element doping, the EO response falls off rapidly with frequency. From impedance spectroscopy, it is found that frequency‐dependent EO is correlated with ion migration. Density functional theory calculations predict that the ion‐migration barrier decreases with La 3+ doping but can be recovered with further Mn 2+ doping, a finding that prompts to prevent ion migration by incorporating Mn 2+ into the Ti‐site to compensate for the charge imbalance.
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