化工儀器網(wǎng)
技術(shù)文章
科學(xué)家揭秘鐵電材料的光電機(jī)制
閱讀：397 發(fā)布時(shí)間：2013-5-30科學(xué)家揭秘鐵電材料的光電機(jī)制
美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及加州大學(xué)伯克利分校的研究人員揭開(kāi)了鐵電材料在光照條件下產(chǎn)生高壓電的秘密。該研究發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。
鐵電材料是指具有鐵電效應(yīng)的一類(lèi)材料，它是熱釋電材料的一個(gè)分支,。鐵電材料及其應(yīng)用研究已成為凝聚態(tài)物理、固體電子學(xué)領(lǐng)域zui熱門(mén)的研究課題之一,?？茖W(xué)家已經(jīng)了解到鐵電材料的原子結(jié)構(gòu)可以使其自發(fā)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，但至今尚不清楚光電過(guò)程是如何在鐵電材料中發(fā)生的,。如果能夠理解這一光電機(jī)制并應(yīng)用于太陽(yáng)能電池,，將能有效地提高太陽(yáng)能電池的效率。
研究人員所采用的鐵電材料是鉍鐵酸鹽薄膜（BFO）,。這種特別制作的薄膜有著不同尋常的特性,，在數(shù)百微米的距離內(nèi)整齊而有規(guī)律地排列著不同的電疇。電疇為條狀,，每個(gè)電疇寬為50納米到300納米，疇壁為2納米,，相鄰電疇的極性相反,。這樣研究人員就可以清楚地知道內(nèi)置電場(chǎng)的位置及其電場(chǎng)強(qiáng)度，便于在微觀尺度上開(kāi)展研究,，同時(shí)也避免了雜質(zhì)原子環(huán)繞及多晶材料所造成的誤差,。
當(dāng)研究人員用光照射鉍鐵酸鹽薄膜時(shí)，獲得了比材料本身的帶隙電壓高很多的電壓,，說(shuō)明光子可釋放電子,，并在疇壁上形成空穴，這樣即使沒(méi)有半導(dǎo)體的P—N結(jié)構(gòu),，也可形成垂直于疇壁的電流,。通過(guò)各種試驗(yàn)，研究人員確定疇壁在提高電壓上具有十分重要的作用。據(jù)此他們開(kāi)發(fā)出一種模型,，可令極性相反的電疇出多余的電荷,，并能傳遞到相鄰的電疇。這種情況有點(diǎn)像傳遞水桶的過(guò)程,，隨著多余電荷不斷注入鋸齒狀相鄰的電疇,，電壓可逐級(jí)顯著增加。
在疇壁的兩側(cè),，由于電性相反,，就可形成電場(chǎng)，使載電體分離,。在疇壁的一側(cè),，電子堆積，空穴互相排斥,；而另一側(cè)則空穴堆積,，電子互相排斥。太陽(yáng)能電池之所以會(huì)損失效率,，是由于電子和空穴會(huì)迅速結(jié)合,，但是這種情況不會(huì)在鉍鐵酸鹽薄膜上出現(xiàn)，因?yàn)橄噜彽碾姰牁O性相反,。根據(jù)同性相斥,，異性相吸的原理，電子和空穴會(huì)沿相反的方向運(yùn)動(dòng),，而由于電子的數(shù)量遠(yuǎn)超空穴的數(shù)量,，所以多余的電子會(huì)溢出到相鄰的電疇。
鉍鐵酸鹽薄膜本身并不是一種很好的太陽(yáng)能電池材料,，因?yàn)樗粚?duì)藍(lán)色和近紫外線發(fā)生反應(yīng),，而且在其產(chǎn)生高電壓的同時(shí)，并不能產(chǎn)生足夠高的電流,。但是研究人員確信,，在任何具有鋸齒狀結(jié)構(gòu)的鐵電材料中，類(lèi)似的過(guò)程也會(huì)發(fā)生,。
目前研究人員正在調(diào)查和研究其他更好的替代材料,。他們相信，該技術(shù)如果應(yīng)用于太陽(yáng)能電池,，將使太陽(yáng)能電池產(chǎn)生較高的電流,，并能大幅提升太陽(yáng)能電池的效率，有望出性能強(qiáng)大的太陽(yáng)能電池,。