北京師范大學、清華大學、中科院物理所以及北京工業(yè)大學等多家單位在新型層狀鐵電體中實現(xiàn)了非易失性電場可控的高效光電子器件(圖文)

發(fā)布者：眺望科技                     發(fā)布日期：2020-09-10

近日，北京師范大學張金星課題組聯(lián)合清華大學南策文院士團隊、北京師范大學殷志平課題組、中科院物理所谷林課題組及北京工業(yè)大學朱慧博士等多家單位在新型層狀鐵電體中實現(xiàn)了非易失性電場可控的高效光電子器件。研究者發(fā)現(xiàn)一種可以同時保持穩(wěn)定鐵電極化和高載流子傳輸能力的層狀鈣鈦礦鐵電薄膜，并在其異質結器件中實現(xiàn)了穩(wěn)定的、極化可控的巨大光電導特性。該成果以Large switchable photoconduction within 2D potential well of a layered ferroelectric heterostructure 為題在線發(fā)表于2020年7月的《先進材料》（Advanced Materials）。

 

鐵電材料中自發(fā)極化誘導的退極化場可以控制載流子的遷移，因而在新型光電能源轉化（如極化可控光伏電池等）和信息器件（如鐵電二極管、疇壁存儲器等）中有重要應用潛力。但傳統(tǒng)鐵電氧化物材料較大的禁帶寬度（2.7-5.0 eV）和極低的本征電導率嚴重限制了其光電轉化效率和電子器件的信噪比。針對這一難題，近20年來人們通過化學摻雜、界面設計、均勻應變及梯度應變等手段來實現(xiàn)對其性能的優(yōu)化。雖然其電導率有所提升，但大量載流子的引入同時削弱了本征鐵電極化的強度，影響了對其載流子輸運行為的非易失性調控。因此，如何在保持穩(wěn)定鐵電極化的同時，提升其載流子遷移能力，突破當前傳統(tǒng)鐵電材料所面臨的物理極限是該領域亟待解決的重要難題。

 

層狀鈣鈦礦鐵電材料，Bi2WO6，不僅具有優(yōu)異的光電催化性能，而且近期被預言其鐵電極化有望在重電子摻雜的情況下依然保持穩(wěn)定。經(jīng)過6年的努力嘗試，合作團隊成功制備出原子級平整的Bi2WO6薄膜，并結合第一性原理計算和譜學測量表明晶體中W-O層成為天然的二維電子勢阱，其層內表現(xiàn)出高于層間兩個數(shù)量級的電導行為。由于導帶底和價帶頂?shù)碾娮討B(tài)分別由W-O層和Bi-O層貢獻，這就促使電子和空穴分層傳輸，極大的減小載流子的復合率。為了進一步研究層狀Bi2WO6的光電轉化特性及鐵電極化對載流子輸運行為的調控，研究團隊構筑了能級匹配的光敏Bi2WO6/SrTiO3異質結，使得高濃度的光生載流子可以從光敏SrTiO3注入到Bi2WO6中。得益于載流子的注入，分層傳輸以及在二維勢阱中的高效遷移，Bi2WO6/SrTiO3光電流密度（短路電流密度~16.17 mA/cm2）比傳統(tǒng)的本征鐵電半導體異質結（BiFeO3/DyScO3）提高了三個數(shù)量級，同時該器件也展示了良好的溫度穩(wěn)定性（80-373 K，光電轉化效率超過~1%）。該研究工作不僅為更高轉化效率的鐵電光伏電池提供了全新的母體材料，而且也為鐵電基光電子及自旋電子等信息器件的開發(fā)奠定了新的物理和材料基礎。

 

基于層狀鐵電薄膜的高效能源轉化及信息器件

 

北京師范大學博士生楊宇犇，毛慧燦博士和北京理工大學王靜副研究員為論文共同第一作者。清華大學南策文院士、北京師范大學殷志平教授、中科院物理所谷林研究員及北京工業(yè)大學朱慧副教授也對本工作的理論和實驗提供了全面指導。（來源：科學網(wǎng)）

相關論文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202003033

 

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