前沿院婁曉傑課題組設計出一種基于撓曲電效應的光電探測器
點擊數:    更新時間:2021/04/01

 

 

鐵電材料具有非中心對稱的晶體結構,由此産生的自發極化可實現力、熱、電、磁、光等一系列物理參量的耦合,進而産生豐富的功能效應。而在具有中心對稱晶體結構的電介質材料中,應變梯度的存在也會打破材料的中心對稱並産生極化,該現象稱之爲撓曲電效應。撓曲電效應的這一特征爲柔性功能器件的設計提供了更廣泛的材料選擇。

例如,外加載荷會在梯形結構的材料中引起應變梯度,由此産生的撓曲電效應可以實現力-電之間的轉換,該效應可以媲美甚至超過壓電材料中的壓電效應。通過將材料設計成緞帶或懸臂梁結構,可以感知環境中産生的微弱振動,並從中獲取能量。

此外,由于撓曲電效應正比于材料中的應變梯度,因此隨著材料特征尺寸的減小和應變梯度的增加,該效應變得更爲顯著。在納米尺度下,原子力尖端施加的載荷會在材料中引入很大的應變梯度,由此産生的撓曲電效應可以實現鐵電極化翻轉、帶電缺陷遷移、調控載流子輸運並産生光伏效應等。總之,撓曲電效應爲納米尺度下柔性電子器件的設計提供了更多的可能。

最近,西安交通大学前沿院娄晓杰教授课题组设计了一种基于挠曲电效应的光电探测器。该光电器件具有金属/氧化物/金属结构,通过利用LaFeO3薄膜与LaAlO3衬底之间晶格失配的逐渐弛豫在LaFeO3薄膜中引入应变梯度,从而产生了显著的挠曲电效应。挠曲电效应通过调控LaFeO3薄膜的能带结构将光生载流子分离,产生的光生电流密度为0.3 mA/cm2,光生电压为0.4 V。该光伏器件对外加光照能够产生纳秒级的时间响应,从而实现对外界光照的超快探测。

相关研究成果以“Flexoelectric thin-film photodetectors”为题发表于《Nano Letters》期刊上。西安交通大学为该论文的第一作者单位及通讯作者单位。西安交通大学电气工程学院吴明博士后和青岛大学姜植峥硕士生为论文的共同第一作者,西安交通大学娄晓杰教授,青岛大学温峥教授和新加坡国立大学Stephen J Pennycook教授为论文的通讯作者。参与本项工作的还包括香港理工大学的张帆博士、Dai Jiyan教授,安徽大学的宋东升教授,新加坡国立大学的宁守琮博士后和西安交通大学的郭梦瑶博士生。

娄晓杰教授是国家特聘专家(青年项目)入选者、新加坡李光耀博士后学者入选者、西安交通大学青年拔尖人才(A类)获得者。2007年毕业于英国剑桥大学材料物理专业,一直从事铁电、反铁电和多铁等功能材料与薄膜器件的理论和实验方面的研究,在研究铁电极化疲劳、翻转动力学、电卡效应、挠曲电效应及无铅压电等方面做出了具有重要创新性成果,在Phys Rev Lett, Adv Mater, Adv Fun Mater, Nano Lett, J Am Chem Soc等国际知名学术期刊发表论文160余篇,被引5000余次。

 

 

图1. 不同尺度下的挠曲电效应。(a)厘米尺度下的挠曲电效应,通过梯形结构设计,可实现媲美于压电效应的力电耦合;(b)微米尺度下的挠曲电效应,通过缎带结构设计,可从环境振动中获得能量;(c)和(d) 纳米尺度下的挠曲电效应,可以显著调控材料的能带结构并产生光伏效应;(e)不同材料的带隙及与太阳光谱的对比。

图2. LaFeO3薄膜中的结构弛豫和应变梯度表征。(a)LaAlO3衬底上生长的LaFeO3薄膜结构示意图;(c)和(d)LaAlO3衬底上LaFeO3薄膜的HAADF图像以及其中的应变分布,表明了LaFeO3薄膜在LaAlO3衬底上发生了由下至上的弛豫;(g)LaAlO3衬底上LaFeO3薄膜中的应变梯度,可达106/m量级;(b)SrTiO3衬底上生长的LaFeO3薄膜结构示意图;(e)和(f)SrTiO3衬底上LaFeO3薄膜的HAADF图像以及其中的应变分布,表明LaFeO3薄膜在SrTiO3衬底上处于应变状态;(h)SrTiO3衬底上LaFeO3薄膜中的应变,其应变梯度可忽略不计;(i)不同衬底上LaFeO3薄膜的电子能量损失谱,说明挠曲电效应的出现降低了Fe的价态。

图3. LaFeO3薄膜中光伏效应的起源. (a) 不考虑挠曲电效应时LaFeO3薄膜中的能带结构;(b)同时考虑界面肖特基势垒和挠曲电效应时LaFeO3薄膜中的能带结构;(c)由挠曲电效应或肖特基结效应主导的光伏I-V曲线示意图。

图4. LaFeO3薄膜中的光伏效应。(a)不同衬底上11nm厚LaFeO3薄膜中的电流-电压曲线,插图为LaAlO3衬底上不同厚度LaFeO3薄膜中的光伏响应;(b) LaAlO3衬底上35nm LaFeO3薄膜在不同光照强度下的光伏响应;(c) LaAlO3衬底上35nm LaFeO3薄膜对光照连续开关的灵敏响应,插图显示了LaFeO3薄膜对外加光照的纳秒级时间响应;(d)LaFeO3薄膜在25至150℃温度区间的光电探测性能。

論文鏈接:

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00055

婁曉傑教授課題組主頁:

http://gr.xjtu.edu.cn/web/xlou03

 

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