光致伸縮效應通常指材料在光照下產生非熱形變的現象。這種效應能夠將光能直接轉化為機械能，在光機電領域具有潛在的應用前景。目前，研究人員已相繼在半導體材料、鐵電材料、有機高分子材料、有機無機雜化鈣鈦礦材料等多種材料體系中發現光致伸縮效應。研究發現不同材料體系的光致伸縮效應的產生機理各不相同。其中，鐵電材料因其較大的光致伸縮強度、較快的光致伸縮響應速率以及優異的穩定性而得到廣泛研究。不過大部分塊體材料的光致伸縮強度普遍低于0.01%，相較壓電材料的電致伸縮強度（>0.1%）存在數量級的差距，尚無法滿足光機電應用的實際需求。因此，開發具有顯著光致伸縮強度的無機固體材料仍是該領域的巨大挑戰。

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所、中國科學院半導體研究所和澳大利亞悉尼大學的聯合研究團隊，在無機固體材料的光致伸縮研究方面取得新進展，在釩酸鉛(Pb₃V₂O₈)陶瓷材料中首次發現光誘導的雙向形變現象：在較低光強照射下，釩酸鉛陶瓷呈現約0.01%的光致膨脹；而在較高光強照射下，釩酸鉛陶瓷呈現高達0.4%的光致伸縮，足以媲美壓電材料的逆壓電效應。鑒于多數光致伸縮材料在光照下通常呈現體積膨脹，而光致體積收縮現象并不常見，該項工作在同一勻質材料體系中觀察到光誘導的體積膨脹和體積收縮兩種現象，對無機材料光致伸縮效應的研究具有重要意義。研究人員通過多種原位表征手段結合第一性原理計算，揭示了釩酸鉛光致膨脹和收縮現象的產生機理：低光強下的體積膨脹主要是由光熱效應引起的熱膨脹和非熱的光誘導Pb-O鍵增長共同導致的；而高光強下的體積收縮主要是由于光誘導結構相變引起的，當光強達到一定程度時，V-O鍵的相互作用超過的Pb-O鍵的原子間力，V-O鍵的演變導致V-V二聚體的形成，從而引發結構相變，導致體積的急劇收縮。得益于在勻質固體材料中同時觀察到顯著的光致膨脹和光致收縮現象，有望為光驅動機電器件的設計提供更多的自由度。同時，對釩酸鉛材料光致結構相變的理解不僅能夠為無機固體光致伸縮材料的開發提供一種新的思路，也有望為光調控局部結構重構進而改變材料物性提供研究空間。相關研究成果以“Discovery of photoinduced bidirectional shape deformation in inorganic solid”為題發表在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體所駱軍委研究員。該工作獲得國家自然科學基金、上海市自然科學基金和中國科學院前沿科學重點項目等資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.09.028

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