光致伸縮效應(yīng)通常指材料在光照下產(chǎn)生非熱形變的現(xiàn)象。這種效應(yīng)能夠?qū)⒐饽苤苯愚D(zhuǎn)化為機(jī)械能，在光機(jī)電領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。目前，研究人員已相繼在半導(dǎo)體材料、鐵電材料、有機(jī)高分子材料、有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦材料等多種材料體系中發(fā)現(xiàn)光致伸縮效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)不同材料體系的光致伸縮效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理各不相同。其中，鐵電材料因其較大的光致伸縮強(qiáng)度、較快的光致伸縮響應(yīng)速率以及優(yōu)異的穩(wěn)定性而得到廣泛研究。不過大部分塊體材料的光致伸縮強(qiáng)度普遍低于0.01%，相較壓電材料的電致伸縮強(qiáng)度（>0.1%）存在數(shù)量級(jí)的差距，尚無法滿足光機(jī)電應(yīng)用的實(shí)際需求。因此，開發(fā)具有顯著光致伸縮強(qiáng)度的無機(jī)固體材料仍是該領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所和澳大利亞悉尼大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在無機(jī)固體材料的光致伸縮研究方面取得新進(jìn)展，在釩酸鉛(Pb3V2O8)陶瓷材料中首次發(fā)現(xiàn)光誘導(dǎo)的雙向形變現(xiàn)象：在較低光強(qiáng)照射下，釩酸鉛陶瓷呈現(xiàn)約0.01%的光致膨脹；而在較高光強(qiáng)照射下，釩酸鉛陶瓷呈現(xiàn)高達(dá)0.4%的光致伸縮，足以媲美壓電材料的逆壓電效應(yīng)。鑒于多數(shù)光致伸縮材料在光照下通常呈現(xiàn)體積膨脹，而光致體積收縮現(xiàn)象并不常見，該項(xiàng)工作在同一勻質(zhì)材料體系中觀察到光誘導(dǎo)的體積膨脹和體積收縮兩種現(xiàn)象，對(duì)無機(jī)材料光致伸縮效應(yīng)的研究具有重要意義。研究人員通過多種原位表征手段結(jié)合第一性原理計(jì)算，揭示了釩酸鉛光致膨脹和收縮現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理：低光強(qiáng)下的體積膨脹主要是由光熱效應(yīng)引起的熱膨脹和非熱的光誘導(dǎo)Pb-O鍵增長共同導(dǎo)致的；而高光強(qiáng)下的體積收縮主要是由于光誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)相變引起的，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)，V-O鍵的相互作用超過的Pb-O鍵的原子間力，V-O鍵的演變導(dǎo)致V-V二聚體的形成，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)相變，導(dǎo)致體積的急劇收縮。得益于在勻質(zhì)固體材料中同時(shí)觀察到顯著的光致膨脹和光致收縮現(xiàn)象，有望為光驅(qū)動(dòng)機(jī)電器件的設(shè)計(jì)提供更多的自由度。同時(shí)，對(duì)釩酸鉛材料光致結(jié)構(gòu)相變的理解不僅能夠?yàn)闊o機(jī)固體光致伸縮材料的開發(fā)提供一種新的思路，也有望為光調(diào)控局部結(jié)構(gòu)重構(gòu)進(jìn)而改變材料物性提供研究空間。相關(guān)研究成果以“Discovery of photoinduced bidirectional shape deformation in inorganic solid”為題發(fā)表在Matter（2022, doi: 10.1016/j.matt.2022.09.028）。論文共同第一作者為上海硅酸鹽所陳晨副研究員和半導(dǎo)體所劉文浩博士，共同通訊作者為上海硅酸鹽所易志國研究員和半導(dǎo)體所駱軍委研究員。該工作獲得國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目等資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.09.028
釩酸鉛材料的物相分析和微觀結(jié)構(gòu)表征
釩酸鉛陶瓷的光致伸縮效應(yīng)表征
光熱效應(yīng)對(duì)釩酸鉛陶瓷光致伸縮性能的影響分析
釩酸鉛光致伸縮機(jī)理的結(jié)晶學(xué)分析
釩酸鉛光致伸縮機(jī)理的第一性原理分析
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