Advanced Science:柔性PVDF-TrFE/KNN纳米复合物中的挠曲光伏效应

挠曲电效应是一种由应变梯度产生电极化的机电耦合效应,因其对材料的对称性无特殊要求,因而广泛存在于各种材料之中,包括电中性材料和铁电材料之中。铁电光伏效应是指在光照条件下,由于激光的激发,铁电材料的内部电子在其内建电势场的作用下而溢出表面,从而在外电路中产生光电流。

近日,中科院北京纳米能源与系统研究所任凯亮研究员团队世界上首次发现将这两者效应相结合,发现了基于KNN(铌酸钠钾)掺杂的PVDF(聚偏氟乙烯)纳米复合物的挠曲光伏效应,该效应可以显著提高PVDF复合物的异常光伏现象(可达14%)。挠曲电效应未来可以用来提高压电材料的铁电光伏效应,在铁电存储器的非损伤性读取具有巨大的潜在应用价值。为了更清楚的认识到形变对纳米复合薄膜电学性能的影响,他们设计了如下的实验方案:实验中制备了极化方向相反和未经极化的三种样品,分别记为正极化,负极化和无极化样品,如图A,B所示。当使用波长为405 nm,功率为56.1 mW的近紫外激光照射弯折后的未极化和正极化样品时,其电流密度随着材料曲率增大而增大。当材料的曲率由0变为1/20时,正极化样品的电流密度从81.95 nA/cm2升至93.34 nA/cm2。在同样的激光照射条件下,负极化样品的电流密度却呈现出了与之相反的变化规律:随着材料的曲率由0变为1/20,样品的电流密度从80.17 nA/cm2降为 72.07 nA/cm2。为了更好的解释这一现象,作者从能带和铁电内建电势场结合的角度来进行了解释。如图C(i)所示,弯折所产生的挠曲极化方向是固定的。对于正极化的纳米复合膜,挠曲极化与压电极化方向一致,两种极化效果的互相叠加显著增大了纳米复合材料内部的电场,导致外部电路中表现为光伏电流的增大。对于负极化的样品而言,挠曲极化方向与压电极化方向相反,挠曲极化和压电极化效果互相抵消从而削弱了复合材料中的内部电场,导致外部电路中的光伏电流降低。作用下,铁电材料的光伏效应会被显著提升。该效应显示出良好的未来应用场景,包括铁电存储器的非损失性读取以及曲率传感器等方面的应用。相关论文在线发表在Advanced Science上(https://doi.org/10.1002/advs.202004554)。