科学家揭秘铁电材料的光电机制

2011-9-22 09:35 来源: 中国科学院
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  美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室及加州大学伯克利分校的研究人员揭开了铁电材料在光照条件下产生高压电的秘密。该研究发表在《物理评论快报》上。

  铁电材料是指具有铁电效应的一类材料,它是热释电材料的一个分支。铁电材料及其应用研究已成为凝聚态物理、固体电子学领域最热门的研究课题之一。科学家已经了解到铁电材料的原子结构可以使其自发产生极化现象,但至今尚不清楚光电过程是如何在铁电材料中发生的。如果能够理解这一光电机制并应用于太阳能电池,将能有效地提高太阳能电池的效率。

  研究人员所采用的铁电材料是铋铁酸盐薄膜(BFO)。这种特别制作的薄膜有着不同寻常的特性,在数百微米的距离内整齐而有规律地排列着不同的电畴。电畴为条状,每个电畴宽为50纳米到300纳米,畴壁为2纳米,相邻电畴的极性相反。这样研究人员就可以清楚地知道内置电场的精确位置及其电场强度,便于在微观尺度上开展研究,同时也避免了杂质原子环绕及多晶材料所造成的误差。

  当研究人员用光照射铋铁酸盐薄膜时,获得了比材料本身的带隙电压高很多的电压,说明光子可释放电子,并在畴壁上形成空穴,这样即使没有半导体的P—N结构,也可形成垂直于畴壁的电流。通过各种试验,研究人员确定畴壁在提高电压上具有十分重要的作用。据此他们开发出一种模型,可令极性相反的电畴制造出多余的电荷,并能传递到相邻的电畴。这种情况有点像传递水桶的过程,随着多余电荷不断注入锯齿状相邻的电畴,电压可逐级显著增加。

  在畴壁的两侧,由于电性相反,就可形成电场,使载电体分离。在畴壁的一侧,电子堆积,空穴互相排斥;而另一侧则空穴堆积,电子互相排斥。太阳能电池之所以会损失效率,是由于电子和空穴会迅速结合,但是这种情况不会在铋铁酸盐薄膜上出现,因为相邻的电畴极性相反。根据同性相斥,异性相吸的原理,电子和空穴会沿相反的方向运动,而由于电子的数量远超空穴的数量,所以多余的电子会溢出到相邻的电畴。

  铋铁酸盐薄膜本身并不是一种很好的太阳能电池材料,因为它只对蓝色和近紫外线发生反应,而且在其产生高电压的同时,并不能产生足够高的电流。但是研究人员确信,在任何具有锯齿状结构的铁电材料中,类似的过程也会发生。

  目前研究人员正在调查和研究其他更好的替代材料。他们相信,该技术如果应用于太阳能电池,将使太阳能电池产生较高的电流,并能大幅提升太阳能电池的效率,有望生产出性能强大的太阳能电池。