【產(chǎn)通社，4月3日訊】中國科學院半導體研究所（Institute of Semiconductors Chinese Academy of Sciences, ISCAS）官網(wǎng)消息，光致伸縮效應是材料在光照下產(chǎn)生非熱形變的現(xiàn)象，能夠將光能直接轉化為機械能，在光機電領域具有重要應用前景。目前研究人員已在半導體、鐵電材料、液晶高分子及雜化鈣鈦礦等多種體系中觀察到該效應，但不同材料的機理和性能差異顯著。迄今為止，多數(shù)無機固體材料的光致伸縮強度普遍低于0.01%，相較鐵電材料的電致應變（>0.1%）存在數(shù)量級差距，難以滿足實際應用需求。開發(fā)高性能無機光致伸縮材料，成為該領域長期以來的核心挑戰(zhàn)。在前期研究中，中國科學院上海硅酸鹽研究所易志國研究員團隊首次在釩酸鉛（Pb3V2O8）陶瓷中發(fā)現(xiàn)光誘導相結構演變的現(xiàn)象，并伴隨著高達0.4%的顯著光致伸縮響應，性能媲美壓電材料的逆壓電效應（Matter 2023, https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.09.028）。但是，在Pb3V2O8陶瓷中實現(xiàn)光致相變需要極大的光強，導致光致伸縮效率較低，同時，樣品的光熱效應也非常顯著，輻照區(qū)域溫度高達60 ℃以上，進而導致光致相變和光致伸縮現(xiàn)象的機理分析更為復雜，也不利于光致伸縮器件的開發(fā)設計。

近日，上海硅酸鹽所易志國研究員與中國科學院半導體研究所駱軍委研究員合作團隊在Pb3V2O8陶瓷光致伸縮研究方面取得新進展。團隊通過磷（P）摻雜調控Pb3V2O8陶瓷的相變溫度，在室溫附近構建多晶型相界（PPB），降低光致相變光強閾值，成功實現(xiàn)了超過0.3%的光致伸縮強度和高達10?1? m3/W的光致伸縮效率。即使光強降低至200 mW/cm2，材料仍能輸出高于0.1%的應變，與鐵電材料的電致應變強度相當。這一成果不僅突破了傳統(tǒng)光致伸縮材料的性能瓶頸，還大幅降低了對高光強的依賴，減少了光熱效應帶來的負面影響，為實際應用鋪平了道路。

實驗表明，隨著P含量增加，材料從室溫單斜晶相（β相）向高溫菱方晶相（γ相）的轉變溫度逐漸降低至接近室溫，形成多晶型相界PPB。在該區(qū)域內，β相與γ相共存，材料相組分對外界光刺激極為敏感。PPB區(qū)域的樣品在405、520和655nm波長光照下均表現(xiàn)出顯著的光致收縮行為，其中P摻雜量為0.22的樣品在405納米激光照射下光致伸縮效率達到1.75×10?1? m3/W，較未摻雜樣品提升近兩個數(shù)量級。此外，研究還結合原位XRD和拉曼光譜揭示了光致相變的動態(tài)過程：低光強即可觸發(fā)β相向γ相的轉變，且相變比例隨光強增加呈飽和趨勢，與理論計算預測結果高度吻合。此外，密度泛函理論（DFT）和分子動力學模擬表明，磷摻雜通過降低β相與γ相的能量差，促進了光激發(fā)下Pb-O-V鏈的共線排列和V-V二聚體的形成，從而驅動晶格結構的快速重構。Pb3V2-xPxO8陶瓷這種兼具高應變和高效率的特性，標志著無機光致伸縮材料向實用化邁出關鍵一步，為開發(fā)微型光驅動執(zhí)行器、光聲器件等 MEMS 設備提供了理想材料體系。

相關研究成果以“Constructing polymorphic phase boundary for high performance inorganic photostrictive materials”為題發(fā)表在自然通訊期刊Nature Communications16, Article?number:?2788?(2025)，上海硅酸鹽所陳晨副研究員和半導體所劉文浩副研究員為論文共同第一作者。研究工作得到國家自然科學基金，上海市自然科學基金，中國科學院未來伙伴專項等項目的資助和支持。

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