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科學(xué)家揭秘鐵電材料的光電機(jī)制
閱讀：416 發(fā)布時間：2013-5-30科學(xué)家揭秘鐵電材料的光電機(jī)制
美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室及加州大學(xué)伯克利分校的研究人員揭開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《物理評論快報》上,。
鐵電材料是指具有鐵電效應(yīng)的一類材料，它是熱釋電材料的一個分支,。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)用于太陽能電池,，將能有效地提高太陽能電池的效率,。
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)置電場的位置及其電場強(qiáng)度,，便于在微觀尺度上開展研究,，同時也避免了雜質(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,，獲得了比材料本身的帶隙電壓高很多的電壓,，說明光子可釋放電子，并在疇壁上形成空穴,，這樣即使沒有半導(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)像傳遞水桶的過程,，隨著多余電荷不斷注入鋸齒狀相鄰的電疇，電壓可逐級顯著增加,。
在疇壁的兩側(cè),，由于電性相反，就可形成電場,，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,。太陽能電池之所以會損失效率,，是由于電子和空穴會迅速結(jié)合，但是這種情況不會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,，電子和空穴會沿相反的方向運(yùn)動,，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能電池材料,，因?yàn)樗粚λ{(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,，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,，類似的過程也會發(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)用于太陽能電池,，將使太陽能電池產(chǎn)生較高的電流，并能大幅提升太陽能電池的效率,，有望出性能強(qiáng)大的太陽能電池,。