Advanced Electronic Materials:基于钛酸铋钠-镍钛酸钡设计得到无氧空位宽光谱吸收铁电材料

全无机钙钛矿型铁电材料作为一种具有优异的铁电,压电和热释电性能的材料,常被应用在传感器、驱动器、超声换能器等器件中,在工业生产和人们的日常生活中发挥着至关重要的作用。但这些铁电材料的带隙都比较大(2.8-4.0eV),较大的禁带宽度使得铁电材料只能吸收太阳光谱中的紫外光部分(仅占太阳光谱的20%),从而极大地限制了铁电材料在光电领域中的应用。研究学者通过在B位掺杂过渡金属态的方法,改变电子态密度的分布情况,进而降低了铁电材料的带隙,这种掺杂同时也会引入新的缺陷态(氧空位)。实际上,氧空位在室温铁电体中的作用还不清楚,部分研究学者认为氧空位是改变铁电材料带隙的必要条件。然而氧空位的存在会导致光激发载流子的复合和漏电流的产生,使得这类铁电材料很难得到较高的光电性能。因此,在降低甚至去除氧空位浓度的条件下获得窄带隙高压电铁电材料成为了研究学者新的挑战,理解氧空位在铁电材料带隙调控中的作用并减少氧空位浓度对开发出高性能压电光伏材料则具有重要的意义。

上海交通大学材料学院郭益平教授选用自主设计的对可见及近红外光强吸收的钙钛矿铁电材料(Na0.5Bi0.5TiO3-BaTi0.5Ni0.5O3-δ)作为研究对象,基于化合价平衡的原则,通过调整A位离子的比例获得了一系列非化学计量比NaxBiyTiO3-BaTi0.5Ni0.5O3y>x)铁电材料。首先,他们成功制备出了一种无氧空位宽光谱吸收的铁电材料,这类材料中最高的光电响应能力相比原来的基体材料0.955Na0.5Bi0.5TiO3-0.045BaTi0.5Ni0.5O3-δ 提高了一倍(从~0.16 提高到 ~0.32 )。此外,他们基于扩展X射线吸收精细结构谱和光谱吸收的结果,证明了氧空位不是降低带隙的必要条件,并提出了一种新的带隙调控机制,即通过改变A位离子和B位离子的配位状态,同样能够影响B位离子的能级结构,从而实现降低带隙的目的。此外,该研究团队还成功获得了氧空位浓度与压电性和铁电性的相关性谱图,并基于此得到了钛酸铋钠-镍钛酸钡体系中具有最高压电和铁电性的组分(剩余极化Pr达到了36 μC·cm-2,压电系数d33达到了166 pC·N-1)。不同于目前广泛研究的含有氧空位的窄带隙铁电材料,他们设计得到的无氧空位缺陷的光伏铁电材料促进了带隙工程的进一步研究,其研究理论对于新型光电子器件的设计具有重要的意义。    

研究者相信,此项研究为解决在铁电材料带隙工程中调控氧空位浓度这一难题提供了一种新的思路,并为高性能窄带隙铁电材料的设计提供了理论基础,他们的研究成果则有望应用于太阳能转换的半导体电池和多能量收集器或传感器等领域中。相关论文在线发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201900407)上,并于当期Inside Front Cover做简要介绍。