近期，安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院肖瑞春副教授與中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院張昌錦研究員課題組及其合作者在二維滑移鐵電材料中發(fā)現(xiàn)了與鐵電序不完全同步的體光伏效應(yīng)，這一結(jié)果豐富了人們對(duì)鐵電序和體光伏效應(yīng)之間關(guān)系的理解，相關(guān)研究成果近期發(fā)表在《npj Computational Materials》上。

       體光伏效應(yīng)(Bulk photovoltaic effect)是一種在中心反演對(duì)稱破缺材料中存在的非線性光學(xué)整流現(xiàn)象。它可以把光轉(zhuǎn)換為直流電，其能量轉(zhuǎn)換效率可以超過(guò)PN結(jié)的Shockley-Queisser極限。鐵電材料是由于對(duì)稱性破缺產(chǎn)生自發(fā)電極化的一類材料體系，鐵電序和體光伏效應(yīng)能夠同時(shí)存在。探究鐵電材料中的體光伏效應(yīng)與鐵電序之間的關(guān)系成為該研究領(lǐng)域的前沿問(wèn)題之一，對(duì)基礎(chǔ)研究和光電器件的設(shè)計(jì)都具有十分重要的意義。

       通常認(rèn)為，鐵電材料中的體光伏效應(yīng)是隨著鐵電序的翻轉(zhuǎn)而反號(hào)的。在中心反演操作下，鐵電序和體光伏效應(yīng)在各個(gè)方向都改變符號(hào)。因此，在BiFeO₃、Pt/BiFeO₃/SrRuO₃、二維CuInP₂Se₆、MX [M = (Ge, Sn)和X = (Se, S)]等材料中，改變鐵電極化常作為操控體光伏效應(yīng)光電流方向的一種手段。但是，鐵電極化是一階極矢量，而體光伏效應(yīng)系數(shù)是一個(gè)秩為三的張量，它們遵循著不同的對(duì)稱性變換規(guī)則。因此，從理論上分析，鐵電材料的體光伏效應(yīng)的張量元與鐵電序可能會(huì)存在不同步的情況。

圖 1  滑移鐵電的示意圖。(a) +P和(b) -P鐵電序的晶體結(jié)構(gòu)。(c) 坐標(biāo)基矢及其在(d) 水平鏡面下的變化。

        肖瑞春副教授及其合作者使用“抽象雙層模型”詳細(xì)地研究了二維滑移鐵電材料的對(duì)稱性和體光伏效應(yīng)。二維滑移鐵電材料是由沒(méi)有鐵電極化的單層材料堆垛而成，在鐵電相變前后單層的結(jié)構(gòu)基本不變，鐵電翻轉(zhuǎn)是由上下兩層通過(guò)層間滑移導(dǎo)致的，如圖 1所示。通過(guò)歸納四種最常見(jiàn)的具有層間滑移情況的對(duì)稱性(如表 1所示)，作者們發(fā)現(xiàn)在單層具有中心反演對(duì)稱性無(wú)鏡面對(duì)稱性的A/B堆垛方式(Case 1b)和單層具有鏡面對(duì)稱性而無(wú)中心反演對(duì)稱性的A/A堆垛方式(Case 2a)兩種情況可以產(chǎn)生層間滑移鐵電性和體光伏效應(yīng)，并且這兩種情況下的相反的滑移鐵電態(tài)都由水平鏡面聯(lián)系在一起。目前實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的層間滑移鐵電材料WTe₂、BN、MoS₂均歸屬于這兩種情況。另外兩種情況(Case 1a、Case 2b)因具有中心反演對(duì)稱性，不具備鐵電性和體光伏效應(yīng)。作者們進(jìn)一步對(duì)分屬于Case2a的代表性材料雙層MoS₂和Case1b的代表性材料雙層WTe₂進(jìn)行了第一性原理計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示面內(nèi)體光伏效應(yīng)系數(shù)不隨著鐵電序的翻轉(zhuǎn)而翻轉(zhuǎn)，而面外體光伏效應(yīng)系數(shù)隨著鐵電序的翻轉(zhuǎn)而反號(hào)，與理論預(yù)測(cè)結(jié)果吻合很好。

表 1 利用“抽象雙層模型”判斷的二維滑移材料的種類和對(duì)稱性

       層間滑移鐵電材料表現(xiàn)出不同步的體光伏效應(yīng)，尤其特別的是面內(nèi)體光伏效應(yīng)不隨著鐵電序的翻轉(zhuǎn)而翻轉(zhuǎn)，這一結(jié)果豐富了人們對(duì)體光伏效應(yīng)與鐵電序之間關(guān)系的認(rèn)知。作者們提出的對(duì)滑移鐵電材料進(jìn)行分類的理論和方法，可以為進(jìn)一步尋找更多的滑移鐵電材料提供指導(dǎo)。此外，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，作者們進(jìn)一步提出可以利用面內(nèi)體光伏效應(yīng)對(duì)疇不敏感的特性構(gòu)建大尺寸的光電器件，而利用面外體光伏效應(yīng)構(gòu)建可調(diào)控的光電器件，如圖 2所示。

圖 2  滑移鐵電材料在不同鐵電疇內(nèi)的面內(nèi)和面外體光伏效應(yīng)

（水平箭頭和豎直箭頭分別表示為面內(nèi)和面外的體光伏效應(yīng)的方向）

        本工作是在安徽大學(xué)物科院與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院強(qiáng)磁場(chǎng)中心、蘇州大學(xué)相關(guān)研究人員合作下開(kāi)展的。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金以及安大啟動(dòng)基金的支持。

新聞鏈接：https://www.ahu.edu.cn/2022/0705/c15059a289686/page.htm

免責(zé)聲明：

  網(wǎng)站內(nèi)容來(lái)源于互聯(lián)網(wǎng)，由網(wǎng)絡(luò)編輯負(fù)責(zé)審查，目的在于傳遞信息，提供專業(yè)服務(wù)，不代表本網(wǎng)站平臺(tái)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。如因內(nèi)容、版權(quán)問(wèn)題存在異議的，請(qǐng)與我們?nèi)〉寐?lián)系，我們將協(xié)調(diào)給予處理（按照法規(guī)支付稿費(fèi)或刪除），聯(lián)系方式：ahos@aiofm.ac.cn 。網(wǎng)站平臺(tái)將加強(qiáng)監(jiān)控與審核，一旦發(fā)現(xiàn)違反規(guī)定的內(nèi)容，按國(guó)家法規(guī)處理，處理時(shí)間不超過(guò)24小時(shí)。