【成果简介】
近日，国际著名期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（简称“PNAS”）在线发表了晶体材料国家重点实验室赵显教授课题组与美国布朗大学Gerald J. Diebold教授课题组的合作研究成果“Photoacoustic trace detection of gases at the part-per-quadrillion level with a moving optical grating”。该工作利用晶体材料国家重点实验室生长的三硼酸铋（α-BiB3O6，BIBO）晶体，设计了中心频率为443 kHz的压电换能器件用于光声气体检测。不同于传统的光声气体检测装置，该工作首次使用以声速运动的光栅作为光声激发源，最大化了光声转化效率，并通过特殊的光声谐振腔设计，整合了光栅、换能器件和谐振腔三方的谐振特性，实现了对SF6气体万亿分之一级（750 ppq）的痕量探测。
【图 导读】
图1 性能表征
锁定放大器输出与N2中的三种气体和Ar中的SF6（顶部曲线，SF6 I）的摩尔分数。
图2 性能表征
任意单位（a.u.）的电压输出与α-Bi3O6晶体的光栅频率。
【研究内容】
BIBO晶体属于单斜晶系，较难生长，长期以来一直是作为非线性光学晶体来研究的，压电性质研究非常少见。山东大学2016级博士研究生陈菲菲在赵显教授和于法鹏副教授的指导下，优化了单晶生长工艺，在短周期一个月内生长得到大尺寸优质单晶。研究发现该晶体不仅具有较高的压电常数（deff=40 pC/N; geff=0.54 V?m/N和机械品质因子Q(~10000)，而且在-100℃到600℃范围内具有良好的电弹性能温度稳定性。利用该晶体较强的纵向振动模式，研究团队设计了光声探测用压电换能器元件，成功实现了对具有快速振动弛豫的分子气体SF6的光声信号测量。该项研究开发了三硼酸铋晶体在压电领域的新应用。
该工作得到了国家自然科学基金、山东大学基本科研业务经费和晶体材料国家重点实验室的支持。
原 链接：http://www.icm.sdu.edu.cn/info/2027/3176.htm
献链接：Photoacoustic trace detection of gases at the part-per-quadrillion level with a moving optical grating (PNAS., 2017, DOI：www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1706040114)
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