易志国研究员在铁电材料能带调控及光热释电研究方面取得新进展

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铁电材料因存在自发极化，可以将光信号转换为电信号，其主要通过两种方式实现，即体光伏效应和光诱导热释电效应。铁电材料的光伏效应在理论上被认为可以超过p-n结太阳能电池的Shockley-Queisser极限，光热释电效应则不受光波长的限制，可以响应到红外波段，两者及其耦合效应在光电探测等领域具有很好的应用前景。但是铁电材料的宽带隙和低热释电系数限制了其光伏响应和热释电响应。窄化带隙不仅有利于提高光伏响应，而且可以提高光热转化效率，进而提高光热释电响应。然而带隙窄化往往使铁电性恶化，与高热释电系数要求的大极化和极性变化相矛盾，因此寻找合适的策略获得具有窄带隙，高铁电性、高热释电系数的铁电材料对于提高铁电材料光电性能具有重要意义。

　　近日，中国科学院上海硅酸盐研究所易志国研究员团队在兼具窄带隙、大铁电极化和高热释电系数的铁电材料研究中取得新进展。通过在BaTiO3基铁电陶瓷中掺杂Mn元素，制备了0.5Ba(Zr0.2-xTi0.8Mnx)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3 (BZTMx-BCT)铁电陶瓷。掺杂之后BZT-BCT带隙从3.2 eV降低到1.9 eV，而且由于Mn 3d轨道能级劈裂在带隙中引入了亚带隙，最低达1.2 eV。此外，因为Mn3+的Jahn-Teller效应和Mn3+-VO缺陷对增加了体系不对称性和限制了氧空位的移动，铁电性仍然保持在纯BZT-BCT的76%以上。光电测试表明，Mn掺杂之后BZT-BCT的光伏响应和光-热释电响应均提升了约一个数量级，热释电响应增强更加明显。一方面，带隙窄化后，更多的载流子弛豫至导带底和价带顶，或者因为BZTMx-BCT中高密度的点缺陷复合，更多的热量释放，导致BZT-BCT光热转换能力提升；另一方面，Mn掺杂后BZT-BCT的相转变温度降低以及准同型相界（MPB）的存在，导致热释电系数提高，两者共同作用最终促进了光热释电响应的提升。将研制的Mn掺杂BZT-BCT铁电陶瓷用于红外辐射探测，发现对人体红外信号具有优异的识别能力。
　　相关研究成果以“Bandgap engineering of BZT-BCT by Mn doping and the emerging strong photo-pyroelectric effect”为题发表在Nano Energy（2023，DOI：10.1016/j.nanoen.2023.109081）。论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生王路，指导教师为易志国研究员。该工作获得国家自然科学基金、上海市自然科学基金和中国科学院前沿科学重点项目等资助。
　　链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109081
      文章来源：上海硅酸盐所
      易志国，男，1977年生。2000年毕业于华中师范大学物理学系。2003年在中科院固体物理研究所获凝聚态物理学硕士学位。2006年在中科院上海硅酸盐研究所获材料物理与化学博士学位。曾先后在日本国立物质材料研究机构（JSPS研究员）、澳洲国立大学化学研究院（博士后研究员）、英国剑桥大学矿物系（访问学者）和日本东京工业大学冶金与陶瓷科学系（GCOE研究员）从事科研工作。现任中科院福建物质结构研究所研究员、课题组长、博士生导师。主要从事铁电压电及光催化相关材料研究，目前以第一或通讯作者身份在Nature Materials和Nature Communications 等国际期刊发表论文六十余篇, 单篇最高引用近千次。曾获上海市高等院校和科研院所优秀毕业生、日本学术振兴会博士后奖学金和中国科学院百人计划等学术荣誉。目前的研究兴趣是功能材料光电特性与能量转换相关的材料设计与器件应用研究。