河南大學/中科院北京納米能源所/華南師大ACS Nano：壓電光電子學和鐵電極化耦合提高BLFO/ZnO異質結光伏性能

研究背景

王中林院士提出的壓電光電子學效應是同時具有半導體、光激發和壓電特性耦合效應形成的新領域，為構筑新型壓電-光電納米器件打下了堅實的理論基礎。 壓電光電子學效應利用壓電勢調控器件界面或結區的能帶結構，進而調控界面和結區處載流子的分離、輸運與復合過程，從而調控器件的光電性能，實現力-光電的協同效應，利用壓電光電子學效應可以制備同時具備高性能、高靈敏和高分辨率特點的新型光電子器件，有望滿足后摩爾定律時代對于可穿戴便攜式電子器件的多樣性和多功能性的需求。由于所選材料性質上的巨大差別，傳統研究領域與壓電光電子學效應的交叉研究十分有限。利用壓電光電子學與鐵電極化的共同作用提高異質結的光伏性能具有重要的研究價值。

成果簡介

河南大學鄭海務教授課題組通過與中科院北京納米能源與系統研究所的王院士和華南師范大學王幸福研究員的深度合作，利用溶膠凝膠法和水熱法制備BLFO/ZnO納米線異質結，通過施加應變和外電場極化研究了壓電光電子學效應與鐵電極化對BLFO/ZnO異質結光電性能的影響。在保持-2.3%的壓應變的同時，通過施加正向電場極化，開路電壓和短路電流密度與零應變下的測試結果相比提高了約8.4%和54.6%，響應時間縮短了59%，恢復時間縮短了31%。為了更好的解釋BLFO/ZnO異質結性能增強的原因，系統分析了異質結的能帶變化，揭示了壓電-鐵電耦合增強器件光伏特性的機理。同時也通過COMSOL軟件對ZnO納米線陣列的壓電勢和BLFO/ZnO異質結能帶結構進行了仿真計算，實驗現象、能帶分析與理論計算一致，進一步驗證了上述機理。該工作為增強基于鐵電薄膜制備的異質結性能提供了一個新的思路，拓寬了基于力光電協同作用的自驅動光電傳感器的研究范圍。

相關研究成果“Enhanced Photovoltaic Performances of La Doped Bismuth Ferrite/Zinc Oxide Heterojunction by Coupling Piezo-Phototronic Effect and Ferroelectricity”發表在ACS Nano 14 (2020) 10723。

河南大學鄭海務教授，華南師范大學王幸福研究員和中國科學院北京納米能源與系統研究所王院士是論文的共同通訊作者，河南大學是第一署名單位，共同第一作者分別是物理與電子學院碩士生張遠征和青年教師楊麗雅。研究工作受到科技部、國家自然科學基金委、河南省高校科技創新團隊、河南大學一流學科培育項目等項目的資助。

圖文導讀

圖1：通過磁控濺射和水熱法制備出BLFO/ZnO納米線異質結。通過SEM測試證明器件制備良好。

圖1 （a）BLFO/ZnO異質結示意圖；（b）BLFO薄膜的表面SEM圖像；（c）ZnO納米線陣列的SEM頂視圖；（d） BLFO/ZnO異質結界面SEM圖像;（e）BLFO/ZnO異質結界面EDS圖像.

圖2：制備的BLFO薄膜和ZnO納米線陣列品質良好。通過一系列測試證明BLFO薄膜具有良好的鐵電性。

圖2 BLFO薄膜和ZnO納米線的（a）帶隙擬合以，（b）及XRD圖譜； BLFO薄膜的（C）電滯回線和（d）PFM測試；（d）BLFO薄膜的鐵電光伏性能測試。

圖3：BLFO/ZnO異質結具有良好的光電響應性能，同時可以受到外電場極化作用的調制。

圖3 （a）不同光功率密度下的測試示意圖；BLFO/ZnO異質結在不同光功率密度下的（b）J-V曲線，和（c）40mW/cm² 光功率密度下不同極化狀態下的J-V曲線；（d）不同測試條件下的光伏特性；（c）不同光功率密度下的on-off測試。

圖4：BLFO/ZnO異質結可以通過施加壓應變調制，最重要的是同時可以受到外電場極化作用的調制。在保持-2.3%的壓應變的同時，通過施加正向電場極化，開路電壓和短路電流密度與零應變下的測試結果相比提高了約8.4%和54.6%。

圖4 （a）對器件施加光場、外電場和應變場測試設置示意圖;（b）器件在405 nm光源，功率密度為100 mW/cm2的光源下加不同應變的測試結果和（c）on-off測試；（d）-2.3%壓應變下，不同極化條件下的BLFO/ZnO的J-V曲線；（e）器件不同測試條件下的測試結果。

圖5：通過同時施加壓應變和正向電場極化，器件響應時間縮短了59%，恢復時間縮短了31%，并且具有良好的抗疲勞特性。

圖5 （a）BLFO/ZnO異質結在三種不同測試條件下的響應時間和恢復時間對比。（b）波長405 nm，功率密度為100 mW/cm2時正向極化條件下的疲勞測試。

圖6：BLFO/ZnO異質結分別在壓應變、壓應變和正向外電場極化以及壓應變和負向電場極化下的能帶變化分析。

圖6 （a）ZnO納米線陣列的壓電勢分布仿真結果；BLFO/ZnO分別在（b）壓應變、（c）壓應變和正向電場極化和（d）壓應變和負電場極化三種情況下的能帶變化分析。

作者簡介

鄭海務，河南大學教授、博士生導師，河南省特聘教授，國家自然科學基金、陜西省科技廳和河北省科技廳項目通訊評審專家，山東省科技獎評審專家，中國物理學會電介質專業委員會地方委員會委員，河南省物理學會理事，河南省教育廳學術技術帶頭人，河南省高校科技創新團隊牽頭人，曾獲2014年度河南省高校科技創新人才等榮譽稱號。2015.5-2016.6在美國佐治亞理工學院做國家公派訪問學者，2017.3-2017.9在美國明尼蘇達大學雙城校區做短期訪問學者。擔任Adv. Energy Mater., Appl. Phys. Rev., Nano Energy, Nanoscale, ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Mater. Chem. C, Solar Energy等國際知名期刊審稿人。

目前主要研究方向：以凝聚態物質的電荷極化為物理基礎的能量轉換器件是凝聚態物理、電子科學和技術等學科的前沿熱點，在信息產業、物聯網和人工智能等領域具有廣闊的應用前景。極化材料、器件與應用課題組的主要研究方向：(1)復合能量捕獲器件的耦合機制及應用；(2)氧化物鐵電壓電材料光電性能的極化調控；(3)多供電模式智能傳感系統。

王幸福，研究員，博士生導師，華南師范大學“青年拔尖”引進人才，廣東省“杰出青年”基金獲得者。曾在美國佐治亞理工學院從事三年訪問研究，合作導師為國際頂尖納米材料科學家、歐洲科學院院士、臺灣中央研究院院士、中科院外籍院士 ZhongLin Wang 教授，期間主要從事基于氮化物納米材料的壓電電子學效應及器件研究。至今以第一或共同第一作者在 Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Nano Energy、Advanced Functional Materials 等期刊發表學術論文 30 余篇。參與主持有國家自然科學基金面上和青年項目、廣東省“杰出青年”基金等。

目前主要研究方向：氮化物的 MOCVD 生長、微納光電器件（光探測器、發光二極管、激光器等）研制、壓電（光）電子學效應及新型器件的研究等領域。招收具有材料物理、微電子學、物理學等相關背景的研究生。

王中林院士，中科院北京納米能源與系統研究所所長和首席科學家、佐治亞理工學院終身校董事講席教授、Hightower終身講席教授。王教授是2019年愛因斯坦世界科學獎（Albert Einstein World Award of Science）、2018年埃尼獎 （ENI award-The “Nobel prize” for Energy）、2015年湯森路透引文桂冠獎、2014年美國物理學會James C. McGroddy新材料獎和2011年美國材料學會獎章（MRS Medal）等國際大獎得主。他是中科院外籍院士、歐洲科學院院士、加拿大工程院外籍院士，國際納米能源領域著名刊物Nano Energy（最新IF：16.602）的創刊主編和現任主編。

本文由河南大學鄭海務教授課題組投稿。