科學家揭秘鐵電材料的光電機制

美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室及加州大學伯克利分校的研究人員揭開了鐵電材料在光照條件下產生高壓電的秘密。該研究發(fā)表在《物理評論快報》上。

    鐵電材料是指具有鐵電效應的一類材料，它是熱釋電材料的一個分支。鐵電材料及其應用研究已成為凝聚態(tài)物理、固體電子學領域zui熱門的研究課題之一?？茖W家已經了解到鐵電材料的原子結構可以使其自發(fā)產生極化現(xiàn)象，但至今尚不清楚光電過程是如何在鐵電材料中發(fā)生的。如果能夠理解這一光電機制并應用于太陽能電池，將能有效地提高太陽能電池的效率。

    研究人員所采用的鐵電材料是鉍鐵酸鹽薄膜（BFO）。這種特別制作的薄膜有著不同尋常的特性，在數(shù)百微米的距離內整齊而有規(guī)律地排列著不同的電疇。電疇為條狀，每個電疇寬為50納米到300納米，疇壁為2納米，相鄰電疇的極性相反。這樣研究人員就可以清楚地知道內置電場的位置及其電場強度，便于在微觀尺度上開展研究，同時也避免了雜質原子環(huán)繞及多晶材料所造成的誤差。

    當研究人員用光照射鉍鐵酸鹽薄膜時，獲得了比材料本身的帶隙電壓高很多的電壓，說明光子可釋放電子，并在疇壁上形成空穴，這樣即使沒有半導體的P—N結構，也可形成垂直于疇壁的電流。通過各種試驗，研究人員確定疇壁在提高電壓上具有十分重要的作用。據(jù)此他們開發(fā)出一種模型，可令極性相反的電疇制造出多余的電荷，并能傳遞到相鄰的電疇。這種情況有點像傳遞水桶的過程，隨著多余電荷不斷注入鋸齒狀相鄰的電疇，電壓可逐級顯著增加。

    在疇壁的兩側，由于電性相反，就可形成電場，使載電體分離。在疇壁的一側，電子堆積，空穴互相排斥；而另一側則空穴堆積，電子互相排斥。太陽能電池之所以會損失效率，是由于電子和空穴會迅速結合，但是這種情況不會在鉍鐵酸鹽薄膜上出現(xiàn)，因為相鄰的電疇極性相反。根據(jù)同性相斥，異性相吸的原理，電子和空穴會沿相反的方向運動，而由于電子的數(shù)量遠超空穴的數(shù)量，所以多余的電子會溢出到相鄰的電疇。

    鉍鐵酸鹽薄膜本身并不是一種很好的太陽能電池材料，因為它只對藍色和近紫外線發(fā)生反應，而且在其產生高電壓的同時，并不能產生足夠高的電流。但是研究人員確信，在任何具有鋸齒狀結構的鐵電材料中，類似的過程也會發(fā)生。

    目前研究人員正在調查和研究其他更好的替代材料。他們相信，該技術如果應用于太陽能電池，將使太陽能電池產生較高的電流，并能大幅提升太陽能電池的效率，有望生產出性能強大的太陽能電池。

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