从集成光子学到量子信息科学，利用电场控制光的能力——这一现象称为电光效应——支持着诸如光调制和频率转换等重要应用。这些组件依赖于非线性光学材料，在这些材料中，通过施加电场可操控光波。
传统的非线性光学材料，如铌酸锂具有较大的电光响应，但与硅器件的集成较为困难。在寻找与硅兼容的材料时，铝钪氮化物（AlScN）脱颖而出，这种材料早已被认为是一种优秀的压电材料——指的是材料在施加压力时能够产生电力，或在施加电场时发生形变。然而，仍需更好地控制其性能以及提高其电光系数的方法。
加州大学圣塔芭芭拉分校的克里斯·范德瓦尔的计算材料组的研究人员现在发现了实现这些目标的方法。他们的研究成果发表在《应用物理快报》2023年1月27日的封面文章中，解释了如何通过调整材料的原子结构和成分来提升其性能。强电光响应需要较高浓度的钪——但钪原子在氮化铝晶格中的具体排列也很重要。
“通过使用尖端的原子建模，我们发现将钪原子沿特定晶体轴以规则阵列排列可以显著增强电光性能，”主导计算的博士生王昊辰解释道。
这一发现激励研究人员探索所谓的超晶格结构，其中交替沉积纳米级厚的ScN和AlN层，这种方法可以通过先进的生长技术进行实验实施。他们发现，精确导向的层结构确实在电光特性上提供了显著的增强。
有趣的是，科学家们还意识到，应变可以被利用来调节靠近“刚刚好”的点的性能，在这一点上可以获得最大的电光增强。应变可以来自外部施加的应力，也可以通过精心设计的微结构内置于材料中，这在硅技术中是一种常规方法。谨慎的应变调节可以使AlScN中的电光效应比当前的主要材料铌酸锂大一个数量级。
“我们对AlScN推动非线性光学的潜力感到兴奋，”范德瓦尔表示。“同样重要的是，从这项研究中获得的见解将使我们能够系统地研究其他所谓的异质结构合金，这些合金可能具有更好的性能。”
该研究的支持来自美国陆军研究办公室和SUPREME，这是一个由国防高级研究计划局赞助的半导体研究公司项目。
