上海交大郭益平教授團隊在寬光譜吸收高壓電鐵電鈣鈦礦的研究中...

2021-01-19 上海交通大學新聞網

近日，國際材料類頂級期刊Advanced Material（2018年影響因子21.95）以「Design for Highly Piezoelectric and Visible/Near-infrared Photoresponsive Perovskite Oxides」為題在線發表了上海交通大學材料科學與工程學院郭益平教授研究課題組在寬光譜吸收高壓電鐵電性能電子陶瓷的設計和合成方面取得的重要進展。

目前大部分傳統的無機鐵電半導體都是基於鐵酸鉍。但是鐵酸鉍的鐵電性壓電性能不夠高，而且無法實現對可見光的全譜吸收（Eg~2.7eV）。雖然已有研究提出能夠在鈣鈦礦氧化物ABO3的B位進行摻雜可同時實現可見光的全譜吸收和鐵電性，但是這類材料往往由於伴隨著氧空位缺陷的引入導致漏電而只能保有非常弱的鐵電壓電性。因此科學家一直在尋找一種有效的途徑來實現鐵電鈣鈦礦材料能夠同時具有高的室溫鐵電壓電性和對可見光的全譜吸收。

圖一：(a)能帶圖：Ni 3d_(z^2 )能級作為導帶和價帶間的腳手架;  (b)多能量響應測試圖

藉助於唯象理論和第一性原理計算，該研究團隊提出了一種 基於「缺陷工程」的有效設計策略。通過在準同型相界組分的弛豫鐵電體中摻雜引入「腳手架」（中間態能級）實現了對可見光的全光譜吸收；同時利用準同型相界組分裡面本身自帶的高界面能驅使缺陷誘導的極化和鐵電體的自發極化產生強相互作用，誘發缺陷偶極子沿鐵電體的自發極化方向排列，達到了增強材料壓電性能的作用。研究團隊成功合成出了過渡族Ni摻雜的 (Na0.5Bi0.5)TiO3-Ba(Ti0.5Ni0.5)O3- 陶瓷，Ni的摻雜使其室溫鐵電壓電性能得到了意想不到的提升，剩餘極化Pr達到了31 μCcm-2，壓電係數d33達到了151 pC N-1。該鐵電鈣鈦礦氧化物不僅具有可見光的全光譜吸收而且第一次實現了鈣鈦礦氧化物對近紅外光的吸收。同時該類型材料在多能量信號刺激下（光能，熱能和動能）能獲得穩定獨立的響應電流。這一研究成果為鐵電多功能材料在多能量響應和採集、光電轉換和傳感、光伏等領域的應用奠定了基礎。

圖二：(a) 近紅外光電響應圖;  (b)多能量響應電流圖

本研究工作主要由上海交通大學為第一單位完成,上海交大的二年級直博生肖鴻源和英國華威大學的董文博士後研究員為論文的共同第一作者，郭益平教授為論文的通訊作者。郭益平研究團隊長期致力於鐵電壓電材料的基礎和應用研究，承擔了多項國家自然科學基金的研究任務。相關工作得到了國家自然科學基金（11874257, 11474199和51332009）的資助。   　　

論文連結：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201805802

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