南开张杨和香港理工郝建华最新Adv. Mater.综述：铁电压电效应对先进材料和器件中光学过程的影响

【引言】

光学和光电材料作为整个光电子产业的基础和先导在科学研究和应用中发挥着日益重要的作用。随着光电子技术与新能源产业的迅猛发展，新型光电功能材料不断涌现，加强对其光子学和光电子学过程的调控与理解，对于提升材料本身和由其制成的器件的性能具有重要意义。在众多调控光电材料的手段中，基于铁电压电效应灵活的掌控光电材料的方法日益受到越来越多的关注。铁电压电材料作为智能材料研究的一个重要分支，在电、磁、声、光、力、热等传感功能和能量转换器件中发挥着重要的作用，多年来一直受到科学研究工作者及工业界的广泛关注。压电效应作为一种机电耦合效应，由外加机械应力的作用在材料内部产生极化和符号相反的正负电荷，这种效应称为正压电效应。反之，外加电场会引起压电晶体内部正负电荷中心的位移，这一极化位移又会导致晶体发生形变，称为逆压电效应。在具有压电效应的材料中，具有自发极化，而且其自发极化随电场变化而变化称之为铁电体。近年来研究者们基于铁电压电效应，通过极化电场、压电应变、压电电势、掺杂调控等方式，在多种新型光电材料中实现对其发光，光学和光电特性的灵活且有效的调控。在应用于掺杂材料发光、半导体量子点单光子源、光电信息处理、显示技术、半导体照明、传感器与探测器、光电场效应管，光伏器件等领域进行了积极探索并取得了重要的进展。尽管利用铁电压电效应去调控影响材料的光学和光电功能性质在基础研究和实际应用领域都取得了重要成果，考虑到新型光电材料的不断涌现与进步，迫切需要对此领域最新成果进行详细的总结，归纳基本原理和器件设计准则，并讨论其在光子学和光电子过程的影响因素和作用机制，这对进一步发现新的物理性质及提高先进材料及器件的性能至关重要。

【成果简介】

南开大学张杨研究员和香港理工大学郝建华教授（共同通讯作者）等在Advanced Materials(先进材料)上发表了题为“Ferroelectric and Piezoelectric Effects on the Optical Process in Advanced Materials and Devices”的综述文章。文章总结了通过铁电压电效应有效的控制和改善不同材料与器件光电性能的研究进展。基于多种材料的不同的物理和光电性质，作者总结了三种铁电压电效应调控光学和光电子学过程的作用机制。首先，它们可以作为外界激发（比如铁电极化和压电应力）调控材料的光电性质，这种手段特别适合薄膜和二维材料。其次，压电和铁电性质可以作为本征属性存在于某些光电材料之中，并与其它功能性质（如半导体传输特性、光发射、光伏特性等）相互耦合，从而使材料与器件呈现出新的特性。最后一种是根据有目的设计将光发射功能引入到铁电压电材料体系中，为考察铁电压电效应与光电性质的相互作用提供研究平台。基于上述的三种机制，文章中对不同类型的新型功能材料作为范例进行了详细的讨论，对近年来典型的工作和代表性的成果进行了介绍和展示，并对未来可能的发展方向提出了建议。

【图文导读】

图1. 电场调控稀土离子掺杂铁电薄膜发光

（a）电场调控稀土离子Yb³⁺/Er³⁺掺杂铁电薄膜BaTiO₃(BTO)发光结构示意图。

（b）稀土离子发光强度随电压的变化趋势。

（c）外加电场引起的BTO晶格畸变导致稀土离子发光增强。

（d）外加电场动态调控稀土离子发光。

图2. 基于压电晶体PMN-PT的应力调控半导体量子点单光子源

（a，b）应力调控半导体量子点单光子源器件示意图和SEM截面图。

（c）单个量子点激子、带电激子和双激子发光随激发电压的变化。

（d）保持激发电压不变，单个量子点激子、带电激子和双激子发光随加载在PMN-PT上电压的变化。

图3. 硅基单片集成压电薄膜应力调控半导体量子点单光子源

（a，b）硅基单片集成压电薄膜应力调控半导体量子点单光子源器件示意图和SEM阵列图。

图4.基于压电光子学效应的手写电子签名系统

（a）基于压电光子学效应的应力触发发光过程。

（b）应力发光强度随施加应力的变化。

（c）手写电子签名系统演示。

（d）压电光子学效应触发ZnS：Mn应力发光机制。

图5.压电单晶PMN-PT驱动的压电光子学发光器件

（a）基于ZnS：Mn/PMN-PT结构的超声波/发光双模式发射器件。

（b）可选址可变色的压电光子学发光器件。

图6.基于压电光子学效应的磁场耦合诱导发光器件

（a）动态磁场激发下，基于应力发光材料磁诱导发光（MIL）复合材料发光的示意图。

（b，c）复合材料结构示意图和实物图，SEM截面图。

（d）应力发光材料ZnS：Al，Cu动态发光调制机理示意图。

（e）复合材料在各种频率下的归一化发射光谱。

（f）不同磁场调制频率下复合体发光图片。

图7.BiFeO₃铁电薄膜的光伏效应

（a-d）BiFeO₃铁电薄膜的反常光伏效应由电畴的极化方向决定，并与界面、厚度、退极化场、缺陷等密切相关。

图8.四方晶系的杂化钙钛矿材料CH₃NH₃PbI₃铁电属性的验证

（a）大损耗半导体与绝缘体的介电响应对比示意图。

（b）CH₃NH₃PbI₃晶体的介电测试，显示复介电常数虚部主导杂化钙钛矿材料的介电响应。

（c）由对复介电常数虚部的积分得到材料电滞回线结果。

（d）湿法刻蚀前后极化电畴对比。

（e，f）CH₃NH₃PbI₃晶体的二次谐波测试结果。

图9.铁电局域场调控下的二维材料场效应管

（a）铁电薄膜PZT调控二维材料MOS₂场效应管示意图。

（b）铁电局域场调控MOS₂场效应管电子输运特性。

（c）光照条件下MOS₂场效应管数据保持特性。

图10.利用铁电聚合物极化增强二维材料MOS₂光电探测器灵敏度

（a）铁电聚合物材料P(VDF-TrFE)作为栅电介质制备的MoS₂场效应管光电探测器件示意图。

（b）光电探测器响应时间特性。

（c）探测范围从可见-近红外拓展到可见-短波红外（1550nm）。

图11.柔性二维材料单层MOS₂压电光电子学光电探测器

（a）柔性单层MoS₂压电光电子学光电探测器图片。

（b）不同光强照射条件光电探测器的电子输运特性。

（c）不同光强照射条件下光电流对应力的依赖关系。

（d）柔性单层MoS₂压电光电子学光电探测器的工作机理。

【结论与展望】

本文总结了铁电压电效应在调控新型光电材料光子学和光电子学过程的最新进展。柔性透明的超薄二维材料表现出许多非凡的物理、电子和光学性质，在可穿戴设备，人工智能，电子显示等领域展现出了极大潜力。基于压电材料的应变调控以及铁电局域场调控技术能使得二维材料的禁带宽度、载流子浓度改变，从而提升二维材料在光电子器件中的表现。自组装半导体量子点被看做分子束外延技术生长的“人造原子”，是实现固态体系高品质单光子源。对量子点的高精度的相干操纵是进行高复杂性量子光学研究的关键。无机压电晶体能满足量子点单光子源对低温的要求，并通过单轴或双轴应力连续调控量子点发光特性。稀土掺杂铁电材料不仅可以利用稀土掺杂改性来提高铁电压电性能和材料多功能化，而且可以考察稀土发光性能与铁电极化的耦合作用。王中林教授开创的压电光电子学和压电光子学研究领域则利用了压电势来控制半导体载流子的产生、分离、传输和/或复合过程，已经在诸如光电探测器、太阳能电池和发光器件中展现出广阔的前景。铁电薄膜材料在光照条件下具有反常光伏效应，且其光伏特性与电畴极化方向、退极化场、薄膜厚度、缺陷以及界面等因素密切相关。除了光伏效应，铁电及多铁材料在光驱动器和光传感器等领域显示了新的应用前景。以有机-无机杂化钙钛矿CH₃NH₃PbI₃为代表的卤族钙钛矿光伏材料因其极高的光电转换效率而备受人们的关注，探索材料的可能的压电以至于铁电性能有助于优化设计杂化钙钛矿材料的光电功能器件。

利用铁电压电效应参考光电特性的新方法，为推进新型光电材料在光电子器件领域的应用提供了新思路并取得了很好的效果。当前该领域遇到的一个问题是某些领域物理机制和理论模型的认知滞后于实验研究。例如，对于稀土离子发光过程与铁电极化耦合的物理机制并不清晰，主要局限于半经验的J-O理论分析。有必要采用基于密度泛函理论第一性原理计算方法建立理论模型分析这一物理过程。在实验应用方面也面临诸多问题。比如目前高性能铁电压电材料多为无机氧化物固体材料，并不能满足当前柔性透明器件的需求，未来有机聚合物铁电压电材料值得关注。近年来在二维材料中观测到铁电压电效应表明某些二维功能材料在柔性电子器件中具有很诱人的发展前景。

【通讯作者简介】

张杨研究员，现任教于南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所。2012年博士毕业于香港理工大学，后在德国莱布尼茨固体与材料研究所做洪堡学者，于2017年回国在南开大学任职。研究兴趣包括发光材料、铁电压电材料、功能薄膜、微纳光电器件等。相关代表性论文发表在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett., Nano Energy, Adv. Opt. Mater., Adv. Electron. Mater. 等期刊上。

郝建华教授，本科、硕士和博士毕业于华中科技大学，并先后工作于美国Penn State University，加拿大University of Guelph和香港大学。2006年起，郝建华教授开始执教于香港理工大学。目前，郝建华教授已发表约230篇SCI学术论文。研究兴趣包括掺杂发光材料与器件、铁电压电功能薄膜、二维材料和纳米能源等。

研究组网页: http://ap.polyu.edu.hk/apjhhao/  

文献链接：Ferroelectric and piezoelectric effects on the optical process in advanced materials and devices (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201707007).

 本文由郝建华课题组供稿。

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