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Apr 08, 2023

Regole di progettazione per un'elettronica forte

npj Computational Materials

npj Computational Materials volume 6, numero articolo: 130 (2020) Citare questo articolo

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L'aumento esplosivo della fotonica del silicio ha portato a un rinnovato interesse per l'effetto elettro-ottico (EO) o effetto Pockels a causa dei suoi potenziali usi in molte applicazioni di dispositivi di prossima generazione. Per trovare materiali con una forte risposta all'EO sotto forma di film sottile, che sono essenziali per dispositivi a bassa potenza e ingombro ridotto, è necessario trovare una regola di progettazione generale per i materiali Pockels resistenti. Per chiarire cosa rende forte l’effetto Pockels, studiamo l’effetto in LiB3O5 (LBO) e CsB3O5 (CBO) e utilizziamo questi materiali come esempi prototipici di dove la saggezza convenzionale crolla. Troviamo che i componenti del tensore di Pockels siano estremamente piccoli in entrambi i materiali, nonostante l'ampio grado di anarmonicità nei cristalli, che è stato utilizzato come proxy per la presenza di effetti elettronici non lineari. Mettiamo in relazione la mancanza di risposta EO alle grandi frequenze fononiche ottiche (nonostante la suscettibilità Raman relativamente grande) in LBO e alla piccola suscettibilità Raman (nonostante le basse frequenze fononiche) in CBO, rispettivamente. Facciamo luce sui fenomeni fisici sottostanti dietro la suscettibilità Raman, che troviamo essere intimamente legati alla forza di accoppiamento elettrone-fonone degli stati elettronici vicini, e identifichiamo un percorso per scoprire nuovi materiali EO forti.

La notevole capacità di un cristallo non centrosimmetrico di modificare il proprio indice di rifrazione in risposta a un campo elettrico applicato, noto come effetto Pockels1, è stata oggetto di crescenti studi negli ultimi anni a causa del suo potenziale di facilitare l'alta velocità e la bassa potenza. modulazione elettro-ottica in applicazioni fotoniche integrate2,3,4,5,6, inclusa la trasmissione di dati intrachip, chip ottici logici neuromorfici7 e circuiti integrati fotonici per l'informatica quantistica8,9. Essendo lineare nel campo, l'effetto Pockels, o effetto elettro-ottico lineare (EO), coesiste con il molto più piccolo effetto Kerr10 (che è il secondo ordine nel campo) e con la generazione della seconda armonica (SHG). L'effetto Pockels è più comunemente utilizzato per la modulazione ottica nel settore delle telecomunicazioni, dove LiNbO3 (LNO), con un coefficiente Pockels non bloccato di r51 = 33 pm/V11, è l'attuale materiale "gold standard"1,12,13. A causa della complessità dell'integrazione di LNO14,15,16,17 su Si, tuttavia, i titanati di perovskite sono recentemente diventati gli argomenti principali sia teorici18,19,20,21,22 che sperimentali7,17,23,24,25,26, 27,28,29,30,31,32 studi sull'uso dell'effetto Pockels nella fotonica del Si. L'obiettivo principale di questi sforzi è stato il BaTiO3 (BTO), grazie alla sua integrabilità con Si (001)27,28,33 e al suo ampio effetto Pockels non bloccato (r42 = 1300 pm/V34), che può mantenere valori simili a quelli di massa anche in film sottili7.

È di fondamentale importanza trovare materiali con ampie risposte Pockels al fine di ridurre il consumo energetico e/o le dimensioni dei dispositivi EO integrati. Tuttavia, poiché al momento non è chiaro quale meccanismo determini la risposta estremamente elevata del BTO rispetto ad altri materiali, la ricerca di alternative potenzialmente migliori è finora avvenuta in modo piuttosto empirico.

Recenti studi teorici sull'effetto Pockels nei titanati di perovskite18,19,20 offrono una via sistematica da seguire. Fredrickson et al.19 hanno esplorato l'ingegneria della deformazione nel BTO. Hanno trovato deformazioni biassiali critiche in corrispondenza delle quali la risposta di Pockels divergeva e le modalità fononiche specifiche diventavano morbide. Hamze e Demkov18 hanno studiato lo stesso fenomeno in SrTiO3 (STO) sottoposto a tensione e, attraverso l'analisi dei parametri della modalità Grüneisen, hanno correlato l'anarmonicità (modalità morbide) a una risposta EO emergente35,36. Paillard et al.20 hanno riportato un comportamento simile nella risposta EO di PbTiO3 (PTO) sottoposto a stress. Questi cristalli hanno tutti in comune fononi morbidi e una grande anarmonicità cristallina. Un modello di oscillatore anarmonico 1-D dell'effetto Pockels37 mostra che il parametro Pockels è direttamente proporzionale al coefficiente del termine di forza anarmonica, rafforzando la relazione presunta tra anarmonicità e risposta EO. Notando che in questi materiali l'effetto Pockels è dominato dal reticolo, la cifra di merito opportuna è il rapporto tra la suscettività Raman e il quadrato della frequenza del fonone. Si può quindi dedurre la seguente regola di progettazione: cristalli altamente anarmonici e non centrosimmetrici dovrebbero mostrare un ampio effetto Pockels.