西安交大娄晓杰教授Nano Lett.：设计出一种基于挠曲电效应的光电探测器

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铁电材料具有非中心对称的晶体结构，由此产生的自发极化可实现力、热、电、磁、光等一系列物理参量的耦合，进而产生丰富的功能效应。而在具有中心对称晶体结构的电介质材料中，应变梯度的存在也会打破材料的中心对称并产生极化，该现象称之为挠曲电效应。挠曲电效应的这一特征为柔性功能器件的设计提供了更广泛的材料选择。例如，外加载荷会在梯形结构的材料中引起应变梯度，由此产生的挠曲电效应可以实现力-电之间的转换，该效应可以媲美甚至超过压电材料中的压电效应。通过将材料设计成缎带或悬臂梁结构，可以感知环境中产生的微弱振动，并从中获取能量。此外，由于挠曲电效应正比于材料中的应变梯度，因此随着材料特征尺寸的减小和应变梯度的增加，该效应变得更为显著。在纳米尺度下，原子力尖端施加的载荷会在材料中引入很大的应变梯度，由此产生的挠曲电效应可以实现铁电极化翻转、带电缺陷迁移、调控载流子输运并产生光伏效应等。总之，挠曲电效应为纳米尺度下柔性电子器件的设计提供了更多的可能。
最近，西安交通大学前沿院娄晓杰教授课题组设计了一种基于挠曲电效应的光电探测器。该光电器件具有金属/氧化物/金属结构，通过利用LaFeO3薄膜与LaAlO3衬底之间晶格失配的逐渐弛豫在LaFeO3薄膜中引入应变梯度，从而产生了显著的挠曲电效应。挠曲电效应通过调控LaFeO3薄膜的能带结构将光生载流子分离，产生的光生电流密度为0.3 mA/cm2，光生电压为0.4 V。该光伏器件对外加光照能够产生纳秒级的时间响应，从而实现对外界光照的超快探测。

图1. 不同尺度下的挠曲电效应。（a）厘米尺度下的挠曲电效应，通过梯形结构设计，可实现媲美于压电效应的力电耦合；（b）微米尺度下的挠曲电效应，通过缎带结构设计，可从环境振动中获得能量；（c）和(d) 纳米尺度下的挠曲电效应，可以显著调控材料的能带结构并产生光伏效应；（e）不同材料的带隙及与太阳光谱的对比。

图2. LaFeO3薄膜中的结构弛豫和应变梯度表征。（a）LaAlO3衬底上生长的LaFeO3薄膜结构示意图；（c）和（d）LaAlO3衬底上LaFeO3薄膜的HAADF图像以及其中的应变分布，表明了LaFeO3薄膜在LaAlO3衬底上发生了由下至上的弛豫；（g）LaAlO3衬底上LaFeO3薄膜中的应变梯度,可达106/m量级；（b）SrTiO3衬底上生长的LaFeO3薄膜结构示意图；（e）和（f）SrTiO3衬底上LaFeO3薄膜的HAADF图像以及其中的应变分布，表明LaFeO3薄膜在SrTiO3衬底上处于应变状态；（h）SrTiO3衬底上LaFeO3薄膜中的应变，其应变梯度可忽略不计；（i）不同衬底上LaFeO3薄膜的电子能量损失谱，说明挠曲电效应的出现降低了Fe的价态。

图3. LaFeO3薄膜中光伏效应的起源. (a) 不考虑挠曲电效应时LaFeO3薄膜中的能带结构；（b）同时考虑界面肖特基势垒和挠曲电效应时LaFeO3薄膜中的能带结构；（c）由挠曲电效应或肖特基结效应主导的光伏I-V曲线示意图。

图4. LaFeO3薄膜中的光伏效应。（a）不同衬底上11nm厚LaFeO3薄膜中的电流-电压曲线，插图为LaAlO3衬底上不同厚度LaFeO3薄膜中的光伏响应；(b) LaAlO3衬底上35nm LaFeO3薄膜在不同光照强度下的光伏响应；(c) LaAlO3衬底上35nm LaFeO3薄膜对光照连续开关的灵敏响应，插图显示了LaFeO3薄膜对外加光照的纳秒级时间响应；（d）LaFeO3薄膜在25至150℃温度区间的光电探测性能。

该相关研究成果以“Flexoelectric thin-film photodetectors”为题发表于Nano Letters期刊上。西安交通大学为该论文的第一作者单位及通讯作者单位。西安交通大学电气工程学院吴明博士后和青岛大学姜植峥硕士生为论文共同第一作者，西安交通大学娄晓杰教授，青岛大学温峥教授和新加坡国立大学Stephen J Pennycook教授为论文通讯作者。参与本项工作的还包括香港理工大学张帆博士、Dai Jiyan教授，安徽大学宋东升教授，新加坡国立大学宁守琮博士后和西安交通大学郭梦瑶博士生。

原文链接
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00055

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