河南大学/中科院北京纳米能源所/华南师大ACS Nano：压电光电子学和铁电极化耦合提高BLFO/ZnO异质结光伏性能

研究背景

王中林院士提出的压电光电子学效应是同时具有半导体、光激发和压电特性耦合效应形成的新领域，为构筑新型压电-光电纳米器件打下了坚实的理论基础。 压电光电子学效应利用压电势调控器件界面或结区的能带结构，进而调控界面和结区处载流子的分离、输运与复合过程，从而调控器件的光电性能，实现力-光电的协同效应，利用压电光电子学效应可以制备同时具备高性能、高灵敏和高分辨率特点的新型光电子器件，有望满足后摩尔定律时代对于可穿戴便携式电子器件的多样性和多功能性的需求。由于所选材料性质上的巨大差别，传统研究领域与压电光电子学效应的交叉研究十分有限。利用压电光电子学与铁电极化的共同作用提高异质结的光伏性能具有重要的研究价值。

成果简介

河南大学郑海务教授课题组通过与中科院北京纳米能源与系统研究所的王院士和华南师范大学王幸福研究员的深度合作，利用溶胶凝胶法和水热法制备BLFO/ZnO纳米线异质结，通过施加应变和外电场极化研究了压电光电子学效应与铁电极化对BLFO/ZnO异质结光电性能的影响。在保持-2.3%的压应变的同时，通过施加正向电场极化，开路电压和短路电流密度与零应变下的测试结果相比提高了约8.4%和54.6%，响应时间缩短了59%，恢复时间缩短了31%。为了更好的解释BLFO/ZnO异质结性能增强的原因，系统分析了异质结的能带变化，揭示了压电-铁电耦合增强器件光伏特性的机理。同时也通过COMSOL软件对ZnO纳米线阵列的压电势和BLFO/ZnO异质结能带结构进行了仿真计算，实验现象、能带分析与理论计算一致，进一步验证了上述机理。该工作为增强基于铁电薄膜制备的异质结性能提供了一个新的思路，拓宽了基于力光电协同作用的自驱动光电传感器的研究范围。

相关研究成果“Enhanced Photovoltaic Performances of La Doped Bismuth Ferrite/Zinc Oxide Heterojunction by Coupling Piezo-Phototronic Effect and Ferroelectricity”发表在ACS Nano 14 (2020) 10723。

河南大学郑海务教授，华南师范大学王幸福研究员和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王院士是论文的共同通讯作者，河南大学是第一署名单位，共同第一作者分别是物理与电子学院硕士生张远征和青年教师杨丽雅。研究工作受到科技部、国家自然科学基金委、河南省高校科技创新团队、河南大学一流学科培育项目等项目的资助。

图文导读

图1：通过磁控溅射和水热法制备出BLFO/ZnO纳米线异质结。通过SEM测试证明器件制备良好。

图1 （a）BLFO/ZnO异质结示意图；（b）BLFO薄膜的表面SEM图像；（c）ZnO纳米线阵列的SEM顶视图；（d） BLFO/ZnO异质结界面SEM图像;（e）BLFO/ZnO异质结界面EDS图像.

图2：制备的BLFO薄膜和ZnO纳米线阵列品质良好。通过一系列测试证明BLFO薄膜具有良好的铁电性。

图2 BLFO薄膜和ZnO纳米线的（a）带隙拟合以，（b）及XRD图谱； BLFO薄膜的（C）电滞回线和（d）PFM测试；（d）BLFO薄膜的铁电光伏性能测试。

图3：BLFO/ZnO异质结具有良好的光电响应性能，同时可以受到外电场极化作用的调制。

图3 （a）不同光功率密度下的测试示意图；BLFO/ZnO异质结在不同光功率密度下的（b）J-V曲线，和（c）40mW/cm² 光功率密度下不同极化状态下的J-V曲线；（d）不同测试条件下的光伏特性；（c）不同光功率密度下的on-off测试。

图4：BLFO/ZnO异质结可以通过施加压应变调制，最重要的是同时可以受到外电场极化作用的调制。在保持-2.3%的压应变的同时，通过施加正向电场极化，开路电压和短路电流密度与零应变下的测试结果相比提高了约8.4%和54.6%。

图4 （a）对器件施加光场、外电场和应变场测试设置示意图;（b）器件在405 nm光源，功率密度为100 mW/cm2的光源下加不同应变的测试结果和（c）on-off测试；（d）-2.3%压应变下，不同极化条件下的BLFO/ZnO的J-V曲线；（e）器件不同测试条件下的测试结果。

图5：通过同时施加压应变和正向电场极化，器件响应时间缩短了59%，恢复时间缩短了31%，并且具有良好的抗疲劳特性。

图5 （a）BLFO/ZnO异质结在三种不同测试条件下的响应时间和恢复时间对比。（b）波长405 nm，功率密度为100 mW/cm2时正向极化条件下的疲劳测试。

图6：BLFO/ZnO异质结分别在压应变、压应变和正向外电场极化以及压应变和负向电场极化下的能带变化分析。

图6 （a）ZnO纳米线阵列的压电势分布仿真结果；BLFO/ZnO分别在（b）压应变、（c）压应变和正向电场极化和（d）压应变和负电场极化三种情况下的能带变化分析。

作者简介

郑海务，河南大学教授、博士生导师，河南省特聘教授，国家自然科学基金、陕西省科技厅和河北省科技厅项目通讯评审专家，山东省科技奖评审专家，中国物理学会电介质专业委员会地方委员会委员，河南省物理学会理事，河南省教育厅学术技术带头人，河南省高校科技创新团队牵头人，曾获2014年度河南省高校科技创新人才等荣誉称号。2015.5-2016.6在美国佐治亚理工学院做国家公派访问学者，2017.3-2017.9在美国明尼苏达大学双城校区做短期访问学者。担任Adv. Energy Mater., Appl. Phys. Rev., Nano Energy, Nanoscale, ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Mater. Chem. C, Solar Energy等国际知名期刊审稿人。

目前主要研究方向：以凝聚态物质的电荷极化为物理基础的能量转换器件是凝聚态物理、电子科学和技术等学科的前沿热点，在信息产业、物联网和人工智能等领域具有广阔的应用前景。极化材料、器件与应用课题组的主要研究方向：(1)复合能量捕获器件的耦合机制及应用；(2)氧化物铁电压电材料光电性能的极化调控；(3)多供电模式智能传感系统。

王幸福，研究员，博士生导师，华南师范大学“青年拔尖”引进人才，广东省“杰出青年”基金获得者。曾在美国佐治亚理工学院从事三年访问研究，合作导师为国际顶尖纳米材料科学家、欧洲科学院院士、台湾中央研究院院士、中科院外籍院士 ZhongLin Wang 教授，期间主要从事基于氮化物纳米材料的压电电子学效应及器件研究。至今以第一或共同第一作者在 Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、Nano Energy、Advanced Functional Materials 等期刊发表学术论文 30 余篇。参与主持有国家自然科学基金面上和青年项目、广东省“杰出青年”基金等。

目前主要研究方向：氮化物的 MOCVD 生长、微纳光电器件（光探测器、发光二极管、激光器等）研制、压电（光）电子学效应及新型器件的研究等领域。招收具有材料物理、微电子学、物理学等相关背景的研究生。

王中林院士，中科院北京纳米能源与系统研究所所长和首席科学家、佐治亚理工学院终身校董事讲席教授、Hightower终身讲席教授。王教授是2019年爱因斯坦世界科学奖（Albert Einstein World Award of Science）、2018年埃尼奖 （ENI award-The “Nobel prize” for Energy）、2015年汤森路透引文桂冠奖、2014年美国物理学会James C. McGroddy新材料奖和2011年美国材料学会奖章（MRS Medal）等国际大奖得主。他是中科院外籍院士、欧洲科学院院士、加拿大工程院外籍院士，国际纳米能源领域著名刊物Nano Energy（最新IF：16.602）的创刊主编和现任主编。

本文由河南大学郑海务教授课题组投稿。