Nature：神奇的界面！刷新壓電效應140年歷史

2020-08-29 研之成理

▲第一作者：Ming-Min Yang

共同通訊：Ming-Min Yang、Marin Alexe

通訊單位：Department of Physics, University of Warwick, Coventry, UK

文獻DOI：10.1038/s41586-020-2602-4

背景介紹

對稱性是自然定律的核心，自然定律構成了現代物理學的基礎，並從根本上決定了材料的特性。打破反演對稱性可以出現新的功能和效果，例如壓電效應和熱釋電效應，但是壓電效應僅限於非中心對稱的材料，而熱釋電效應僅在極性對稱的材料中出現。材料的對稱性可以通過外部刺激來調節，例如應變梯度，通過所謂的柔電效應在對稱材料中引起極化。儘管施加應變梯度具有通用性，但其實際應用卻受到其相當小的有效係數和誘導大應變梯度的複雜設置的阻礙，因此急需一種替代方法。
備註：壓電效應是1880年皮埃爾·居裡和雅克·居裡兄弟發現的，距今已經140年歷史。1984年，德國物理學家沃德馬·沃伊特推論出只有無對稱中心的20種點群的晶體才可能具有壓電效應。

本文亮點

1. 作者發現源自異質結構界面能帶彎曲的內部電場可以引起極性對稱，從而導致在中心對稱材料中出現壓電和熱釋電效應，這在其他方法中是不可能的；

2. 作者研究了由貴金屬和中心對稱半導體形成的肖特基結（Schottky junctions），耗盡區的內建電場在半導體中感應處極性結構並產生壓電和熱釋電效應；

3. 界面的熱電係數和品質因數比常規的體極性材料大一個數量級；

4. 這種源自界面的壓電和熱釋電效應不受對稱性限制，並且適用於從常規半導體和氧化物到滷化鈣鈦礦和二維材料的各種材料中。

圖文解析

圖1. 晶體對稱工程與肖特基結電學特性
a． 晶體對稱性工程中通過外部刺激的原理示意圖；b． 肖特基結耗盡區電勢變化示意圖；c． Au/Nb:SrTiO3/Al 結的電流-電壓曲線；d． Au/Nb:SrTiO3/Al 結的電容-電壓曲線。

圖 2. 界面壓電效應
a. 用於表徵肖特基結直接壓電效應的器件示意圖；b. Au/Nb:SrTiO3/Al 結在正弦變化應力刺激下產生的電流密度波形；c. 在Au/Nb:SrTiO3/Al、 Au/Nb:TiO2/Al和Au/Nb:Bb0.6Sr0.4TiO=/Al結中產生的與應力相關的電流密度；d. Au/Nb:SrTiO3 結的表面位移與所施加交流電振幅之間的關係。

圖 3. 界面熱釋電效應
a. Au / Nb：SrTiO3結中溫度變化的波形以及產生的熱電流密度的波形；b. Au/Nb:SrTiO3、Au/Nb:TiO2 和 Au/Nb:BSTO 肖特基結中溫度相關的熱電係數；c. Au/Nb:BSTO 結中脈衝光致瞬態熱釋電電流；d. Pb(Ti0.8Zr0.2)O3 陶瓷中脈衝光致瞬態熱釋電電流。

圖4. 界面極性效應的優越性和普適性
a. 所研究器件與常規極性材料的界面壓電常數和機電耦合係數的比較；b. 所研究器件與鐵電材料的熱釋電係數和熱釋電效率的比較；c. Au/Si 結中產生的電流密度與所施加應力的關係。


原文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2602-4

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