压电光子学效应及其应用综述

近年来，压电光子学作为一个新兴的研究领域吸引了学者们的广泛关注。压电光子学器件具有远程检测、无损分析和可重复性等优点，在应力传感、新型光源和显示、结构健康诊断、三维手写等诸多领域具有广阔的应用前景。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王龙飞研究员针对该领域的研究进行了综述分析，在《中国科学》期刊发表了题为“压电光子学效应及其应用”的综述文章，介绍了压电光子学效应的基本原理、材料体系以及压电光子学器件的研究进展，并对这一学科的未来发展进行了展望。

压电光子学效应的基本原理及材料体系

压电光子学效应是压电半导体中的压电特性和光激发的耦合效应，是利用强压电场调控局部能带结构、激发掺杂引入的发光中心进而控制发光过程。

压电光子学效应为新光源、智能触觉传感和机械光子学等重要技术提供了研究基础，尤其结合第三代、第四代半导体材料同时具有压电效应和半导体特性的优势，有望实现高性能的力-致发光器件。

压电光子学效应的原理及其应用

压电光子学器件的研究进展

基于多模发光材料实现可视化和非接触式传感对于柔性光电子、信息加密和基础设施监控至关重要。然而，光学传感器的发展受到高性能发光功能材料的限制。在光电传感应用方面，Zhao等人通过将过渡金属和镧系元素离子共掺杂，成功合成了基于四元压电光子半导体MZnOS (M=Ca, Sr, Ba)微晶的高效智能多模发光材料。结果表明，这种多功能光学材料在先进的光学传感和防伪应用中具有巨大潜力。

Zhao等人提出的基于四元压电光子半导体微晶的高效智能多模发光材料

在发光器件应用方面，Wong等人提出了一种结合磁效应和压电光子学效应的新概念磁致发光（MIL），开发了由磁致动器和发光颗粒组成的MIL复合层压板。该层压板由金属离子掺杂的ZnS+PDMS和Fe-Ni-Co合金+PDMS组成，通过应变与介导的耦合，从复合材料中观察到MIL现象。这种新型器件能够感测或转换动态磁动作，且无需对设备使用外部电源。该器件为远程磁光传感器、存储设备、能量收集器、无损环境监视和刺激响应多模态生物成像等提供了更多的可能性。

Wong等人提出的基于应变介导和力致发光的磁致发光效应示意图

在生化领域，压电光子材料吸收的短激光脉冲产生的光声（PA）波被证明可使角质层对大分子和蛋白质产生渗透作用。压电光子材料的特点是高光压转换效率和随着激光脉冲持续产生PA波，这些特征相结合产生了具有陡峭压力梯度的宽带压力波，能够使角质层渗透。Sá等人使用具有大的格吕尼森系数的薄型材料改善了光压转导，并在这些材料中加入一种染料，该染料提升了压电光子材料的性能，使角质层对大分子和蛋白质能够瞬时渗透。

Sá等人开展的基于压电光声（PA）效应的应用研究

研究展望

压电光子学的研究工作目前取得了很大进展，不过，仍有许多问题值得关注。

（1）在机理上，深入理解这种普遍的能量转换机制依旧至关重要，同时，进一步提高通过外部机械刺激收集到的能量也非常必要。

（2）在材料方面，应变场的引入为半导体材料的多场耦合研究打开了一扇崭新的大门。结合压电光子学效应和第三代、第四代半导体，有望实现新突破。此外，二维压电半导体材料具有优越的柔韧性和机械强度，以及自身超薄特性带来的优异光学透明度和对外部刺激的快速响应，这些性质在开发超薄和柔性发光器件方面至关重要。

（3）在器件设计方面，可以通过精准构筑原子层级结构的可控制备和二维应力设计，发展原子级三维应力调控和外延应力固化的新方法，通过精准设计与调控器件内的应力分布，将外应力转换为晶体结构应力稳定固化，开发预应力封装等技术充分利用应力应变产生的压电极化。

（4）由于压电光子学是压电半导体的压电特性和光激发双向耦合的结果，需要设计具体的实验方法和标准来表征压电光子学效应和量化相关材料和器件系统的特性，这将有利于建立合成新型应力发光材料和探究相关器件应用的指导方针和发展路线，进一步促进压电光子学的发展。

审核编辑：刘清