光致伸缩效应通常指材料在光照下产生非热形变的现象。这种效应能够将光能直接转化为机械能，在光机电领域具有潜在的应用前景。目前，研究人员已相继在半导体材料、铁电材料、有机高分子材料、有机无机杂化钙钛矿材料等多种材料体系中发现光致伸缩效应。研究发现不同材料体系的光致伸缩效应的产生机理各不相同。其中，铁电材料因其较大的光致伸缩强度、较快的光致伸缩响应速率以及优异的稳定性而得到广泛研究。不过大部分块体材料的光致伸缩强度普遍低于0.01%，相较压电材料的电致伸缩强度（>0.1%）存在数量级的差距，尚无法满足光机电应用的实际需求。因此，开发具有显著光致伸缩强度的无机固体材料仍是该领域的巨大挑战。
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院半导体研究所和澳大利亚悉尼大学的联合研究团队，在无机固体材料的光致伸缩研究方面取得新进展，在钒酸铅(Pb3V2O8)陶瓷材料中首次发现光诱导的双向形变现象：在较低光强照射下，钒酸铅陶瓷呈现约0.01%的光致膨胀；而在较高光强照射下，钒酸铅陶瓷呈现高达0.4%的光致伸缩，足以媲美压电材料的逆压电效应。鉴于多数光致伸缩材料在光照下通常呈现体积膨胀，而光致体积收缩现象并不常见，该项工作在同一匀质材料体系中观察到光诱导的体积膨胀和体积收缩两种现象，对无机材料光致伸缩效应的研究具有重要意义。研究人员通过多种原位表征手段结合第一性原理计算，揭示了钒酸铅光致膨胀和收缩现象的产生机理：低光强下的体积膨胀主要是由光热效应引起的热膨胀和非热的光诱导Pb-O键增长共同导致的；而高光强下的体积收缩主要是由于光诱导结构相变引起的，当光强达到一定程度时，V-O键的相互作用超过的Pb-O键的原子间力，V-O键的演变导致V-V二聚体的形成，从而引发结构相变，导致体积的急剧收缩。得益于在匀质固体材料中同时观察到显著的光致膨胀和光致收缩现象，有望为光驱动机电器件的设计提供更多的自由度。同时，对钒酸铅材料光致结构相变的理解不仅能够为无机固体光致伸缩材料的开发提供一种新的思路，也有望为光调控局部结构重构进而改变材料物性提供研究空间。相关研究成果以“Discovery of photoinduced bidirectional shape deformation in inorganic solid”为题发表在Matter（2022, doi: 10.1016/j.matt.2022.09.028）。论文共同第一作者为上海硅酸盐所陈晨副研究员和半导体所刘文浩博士，共同通讯作者为上海硅酸盐所易志国研究员和半导体所骆军委研究员。该工作获得国家自然科学基金、上海市自然科学基金和中国科学院前沿科学重点项目等资助。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.09.028
钒酸铅材料的物相分析和微观结构表征
钒酸铅陶瓷的光致伸缩效应表征
光热效应对钒酸铅陶瓷光致伸缩性能的影响分析
钒酸铅光致伸缩机理的结晶学分析
钒酸铅光致伸缩机理的第一性原理分析
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