南開張楊和香港理工郝建華最新Adv. Mater.綜述：鐵電壓電效應對先進材料和器件中光學過程的影響

【引言】

光學和光電材料作為整個光電子產業的基礎和先導在科學研究和應用中發揮著日益重要的作用。隨著光電子技術與新能源產業的迅猛發展，新型光電功能材料不斷涌現，加強對其光子學和光電子學過程的調控與理解，對于提升材料本身和由其制成的器件的性能具有重要意義。在眾多調控光電材料的手段中，基于鐵電壓電效應靈活的掌控光電材料的方法日益受到越來越多的關注。鐵電壓電材料作為智能材料研究的一個重要分支，在電、磁、聲、光、力、熱等傳感功能和能量轉換器件中發揮著重要的作用，多年來一直受到科學研究工作者及工業界的廣泛關注。壓電效應作為一種機電耦合效應，由外加機械應力的作用在材料內部產生極化和符號相反的正負電荷，這種效應稱為正壓電效應。反之，外加電場會引起壓電晶體內部正負電荷中心的位移，這一極化位移又會導致晶體發生形變，稱為逆壓電效應。在具有壓電效應的材料中，具有自發極化，而且其自發極化隨電場變化而變化稱之為鐵電體。近年來研究者們基于鐵電壓電效應，通過極化電場、壓電應變、壓電電勢、摻雜調控等方式，在多種新型光電材料中實現對其發光，光學和光電特性的靈活且有效的調控。在應用于摻雜材料發光、半導體量子點單光子源、光電信息處理、顯示技術、半導體照明、傳感器與探測器、光電場效應管，光伏器件等領域進行了積極探索并取得了重要的進展。盡管利用鐵電壓電效應去調控影響材料的光學和光電功能性質在基礎研究和實際應用領域都取得了重要成果，考慮到新型光電材料的不斷涌現與進步，迫切需要對此領域最新成果進行詳細的總結，歸納基本原理和器件設計準則，并討論其在光子學和光電子過程的影響因素和作用機制，這對進一步發現新的物理性質及提高先進材料及器件的性能至關重要。

【成果簡介】

南開大學張楊研究員和香港理工大學郝建華教授（共同通訊作者）等在Advanced Materials(先進材料)上發表了題為“Ferroelectric and Piezoelectric Effects on the Optical Process in Advanced Materials and Devices”的綜述文章。文章總結了通過鐵電壓電效應有效的控制和改善不同材料與器件光電性能的研究進展。基于多種材料的不同的物理和光電性質，作者總結了三種鐵電壓電效應調控光學和光電子學過程的作用機制。首先，它們可以作為外界激發（比如鐵電極化和壓電應力）調控材料的光電性質，這種手段特別適合薄膜和二維材料。其次，壓電和鐵電性質可以作為本征屬性存在于某些光電材料之中，并與其它功能性質（如半導體傳輸特性、光發射、光伏特性等）相互耦合，從而使材料與器件呈現出新的特性。最后一種是根據有目的設計將光發射功能引入到鐵電壓電材料體系中，為考察鐵電壓電效應與光電性質的相互作用提供研究平臺。基于上述的三種機制，文章中對不同類型的新型功能材料作為范例進行了詳細的討論，對近年來典型的工作和代表性的成果進行了介紹和展示，并對未來可能的發展方向提出了建議。

【圖文導讀】

圖1. 電場調控稀土離子摻雜鐵電薄膜發光

（a）電場調控稀土離子Yb³⁺/Er³⁺摻雜鐵電薄膜BaTiO₃(BTO)發光結構示意圖。

（b）稀土離子發光強度隨電壓的變化趨勢。

（c）外加電場引起的BTO晶格畸變導致稀土離子發光增強。

（d）外加電場動態調控稀土離子發光。

圖2. 基于壓電晶體PMN-PT的應力調控半導體量子點單光子源

（a，b）應力調控半導體量子點單光子源器件示意圖和SEM截面圖。

（c）單個量子點激子、帶電激子和雙激子發光隨激發電壓的變化。

（d）保持激發電壓不變，單個量子點激子、帶電激子和雙激子發光隨加載在PMN-PT上電壓的變化。

圖3. 硅基單片集成壓電薄膜應力調控半導體量子點單光子源

（a，b）硅基單片集成壓電薄膜應力調控半導體量子點單光子源器件示意圖和SEM陣列圖。

圖4.基于壓電光子學效應的手寫電子簽名系統

（a）基于壓電光子學效應的應力觸發發光過程。

（b）應力發光強度隨施加應力的變化。

（c）手寫電子簽名系統演示。

（d）壓電光子學效應觸發ZnS：Mn應力發光機制。

圖5.壓電單晶PMN-PT驅動的壓電光子學發光器件

（a）基于ZnS：Mn/PMN-PT結構的超聲波/發光雙模式發射器件。

（b）可選址可變色的壓電光子學發光器件。

圖6.基于壓電光子學效應的磁場耦合誘導發光器件

（a）動態磁場激發下，基于應力發光材料磁誘導發光（MIL）復合材料發光的示意圖。

（b，c）復合材料結構示意圖和實物圖，SEM截面圖。

（d）應力發光材料ZnS：Al，Cu動態發光調制機理示意圖。

（e）復合材料在各種頻率下的歸一化發射光譜。

（f）不同磁場調制頻率下復合體發光圖片。

圖7.BiFeO₃鐵電薄膜的光伏效應

（a-d）BiFeO₃鐵電薄膜的反常光伏效應由電疇的極化方向決定，并與界面、厚度、退極化場、缺陷等密切相關。

圖8.四方晶系的雜化鈣鈦礦材料CH₃NH₃PbI₃鐵電屬性的驗證

（a）大損耗半導體與絕緣體的介電響應對比示意圖。

（b）CH₃NH₃PbI₃晶體的介電測試，顯示復介電常數虛部主導雜化鈣鈦礦材料的介電響應。

（c）由對復介電常數虛部的積分得到材料電滯回線結果。

（d）濕法刻蝕前后極化電疇對比。

（e，f）CH₃NH₃PbI₃晶體的二次諧波測試結果。

圖9.鐵電局域場調控下的二維材料場效應管

（a）鐵電薄膜PZT調控二維材料MOS₂場效應管示意圖。

（b）鐵電局域場調控MOS₂場效應管電子輸運特性。

（c）光照條件下MOS₂場效應管數據保持特性。

圖10.利用鐵電聚合物極化增強二維材料MOS₂光電探測器靈敏度

（a）鐵電聚合物材料P(VDF-TrFE)作為柵電介質制備的MoS₂場效應管光電探測器件示意圖。

（b）光電探測器響應時間特性。

（c）探測范圍從可見-近紅外拓展到可見-短波紅外（1550nm）。

圖11.柔性二維材料單層MOS₂壓電光電子學光電探測器

（a）柔性單層MoS₂壓電光電子學光電探測器圖片。

（b）不同光強照射條件光電探測器的電子輸運特性。

（c）不同光強照射條件下光電流對應力的依賴關系。

（d）柔性單層MoS₂壓電光電子學光電探測器的工作機理。

【結論與展望】

本文總結了鐵電壓電效應在調控新型光電材料光子學和光電子學過程的最新進展。柔性透明的超薄二維材料表現出許多非凡的物理、電子和光學性質，在可穿戴設備，人工智能，電子顯示等領域展現出了極大潛力。基于壓電材料的應變調控以及鐵電局域場調控技術能使得二維材料的禁帶寬度、載流子濃度改變，從而提升二維材料在光電子器件中的表現。自組裝半導體量子點被看做分子束外延技術生長的“人造原子”，是實現固態體系高品質單光子源。對量子點的高精度的相干操縱是進行高復雜性量子光學研究的關鍵。無機壓電晶體能滿足量子點單光子源對低溫的要求，并通過單軸或雙軸應力連續調控量子點發光特性。稀土摻雜鐵電材料不僅可以利用稀土摻雜改性來提高鐵電壓電性能和材料多功能化，而且可以考察稀土發光性能與鐵電極化的耦合作用。王中林教授開創的壓電光電子學和壓電光子學研究領域則利用了壓電勢來控制半導體載流子的產生、分離、傳輸和/或復合過程，已經在諸如光電探測器、太陽能電池和發光器件中展現出廣闊的前景。鐵電薄膜材料在光照條件下具有反常光伏效應，且其光伏特性與電疇極化方向、退極化場、薄膜厚度、缺陷以及界面等因素密切相關。除了光伏效應，鐵電及多鐵材料在光驅動器和光傳感器等領域顯示了新的應用前景。以有機-無機雜化鈣鈦礦CH₃NH₃PbI₃為代表的鹵族鈣鈦礦光伏材料因其極高的光電轉換效率而備受人們的關注，探索材料的可能的壓電以至于鐵電性能有助于優化設計雜化鈣鈦礦材料的光電功能器件。

利用鐵電壓電效應參考光電特性的新方法，為推進新型光電材料在光電子器件領域的應用提供了新思路并取得了很好的效果。當前該領域遇到的一個問題是某些領域物理機制和理論模型的認知滯后于實驗研究。例如，對于稀土離子發光過程與鐵電極化耦合的物理機制并不清晰，主要局限于半經驗的J-O理論分析。有必要采用基于密度泛函理論第一性原理計算方法建立理論模型分析這一物理過程。在實驗應用方面也面臨諸多問題。比如目前高性能鐵電壓電材料多為無機氧化物固體材料，并不能滿足當前柔性透明器件的需求，未來有機聚合物鐵電壓電材料值得關注。近年來在二維材料中觀測到鐵電壓電效應表明某些二維功能材料在柔性電子器件中具有很誘人的發展前景。

【通訊作者簡介】

張楊研究員，現任教于南開大學電子信息與光學工程學院現代光學研究所。2012年博士畢業于香港理工大學，后在德國萊布尼茨固體與材料研究所做洪堡學者，于2017年回國在南開大學任職。研究興趣包括發光材料、鐵電壓電材料、功能薄膜、微納光電器件等。相關代表性論文發表在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., Nano Energy, Adv. Opt. Mater., Adv. Electron. Mater. 等期刊上。

郝建華教授，本科、碩士和博士畢業于華中科技大學，并先后工作于美國Penn State University，加拿大University of Guelph和香港大學。2006年起，郝建華教授開始執教于香港理工大學。目前，郝建華教授已發表約230篇SCI學術論文。研究興趣包括摻雜發光材料與器件、鐵電壓電功能薄膜、二維材料和納米能源等。

研究組網頁:?http://ap.polyu.edu.hk/apjhhao/ ?

文獻鏈接：Ferroelectric and piezoelectric effects on the optical process in advanced materials and devices (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201707007).

?本文由郝建華課題組供稿。

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