中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
鐵電薄膜材料因其從自然環(huán)境中收集各種形式清潔能源的潛力而引起了廣泛關(guān)注。然而，這些材料的光電性能通常受到光吸收過程中產(chǎn)生的熱量限制，導致顯著的熱損失。大多數(shù)鐵電薄膜產(chǎn)生的光生電流和熱生電流具有相反的極性，從而削弱了器件的耦合光熱電輸出。本文報告了一種能產(chǎn)生相同極性光生電流和熱生電流的LaNiO3/BiMn2O5/ITO鐵電薄膜。研究表明，BMO薄膜產(chǎn)生的光生電流極性完全由自發(fā)極化方向決定，克服了肖特基勢壘對器件能量收集的不利影響。本文提出了一種增強耦合因子的新策略，為優(yōu)化鐵電材料在光能和熱能應用中的利用提供了有價值的新見解。
研究背景
近年來，可再生能源發(fā)電份額持續(xù)增長，但傳統(tǒng)光伏材料的熱損失限制了能量轉(zhuǎn)換效率。鐵電材料作為能夠收集光、熱和機械能的多功能材料，為實現(xiàn)多模式能量收集提供了新途徑。盡管鐵電光伏效應不受帶隙限制，具有獨特優(yōu)勢，但在實際應用中仍面臨高剩余極化與較小帶隙難以兼顧的挑戰(zhàn)，導致光電轉(zhuǎn)換效率較低。此外，大多數(shù)鐵電材料中，光電流和熱電流（塞貝克效應）通常呈現(xiàn)相反極性，這進一步限制了能量收集效率。為解決上述問題，本研究通過溶膠-凝膠法開發(fā)了一系列鐵電薄膜器件，特別是BiMn2O5(BMO)材料，它能夠產(chǎn)生同極性的光生電流和熱生電流，從而實現(xiàn)了超越傳統(tǒng)BaTiO3、PbTiO3 和 BiFeO3材料的光熱耦合效應。研究結(jié)果表明，BMO的光熱耦合電流超過了單獨光生電流和熱生電流之和，其光熱電耦合因子顯著高于其他常見鐵電材料。這種現(xiàn)象歸因于BMO克服肖特基勢壘的能力，使光生電流方向主要由自發(fā)極化方向決定。這種新型器件架構(gòu)不僅顯著提高了鐵電薄膜系統(tǒng)的能量利用效率，還為發(fā)展環(huán)境可持續(xù)的自供電電子設(shè)備提供了重要啟示。
創(chuàng)新點
1. 開創(chuàng)性的LaNiO3/BiMn2O5/ITO鐵電器件協(xié)同增強光生電流和熱生電流，打破了傳統(tǒng)能量收集的壁壘。
2. BiMn2O5鐵電薄膜由于其獨特的極化驅(qū)動電流方向，表現(xiàn)出更高的光熱電耦合因子。
3. 通過優(yōu)化器件調(diào)節(jié)實現(xiàn)了增強的能量收集效率，展現(xiàn)了其在自供電技術(shù)中的潛力。
文章概述
圖 1 主要展示了 BMO 鐵電薄膜與其他鐵電材料（BaTiO3、PbTiO3 和 BiFeO3）在光-熱電耦合性能方面的對比。圖 1a 通過示意圖對比了不同鐵電材料在 405 nm 和 905 nm 激光照射下的光生電流、熱生電流及耦合電流，結(jié)果表明 BMO 的光生電流和熱生電流極性相同，而其他材料的極性相反，導致其光-熱電耦合因子小于 1，而 BMO 的耦合因子大于 1，表現(xiàn)出協(xié)同增強效應。圖 1b 顯示了 BMO 薄膜器件的實物照片及原子級結(jié)構(gòu)示意圖，其中 LNO 作為底電極，BMO 作為鐵電層，ITO 作為頂電極，并介紹了器件的制備方法。圖 1c 為 LNO/BMO/ITO 器件的 SEM 截面圖，顯示了高質(zhì)量的薄膜微結(jié)構(gòu)，無裂紋且結(jié)晶度良好。圖 1d 通過柱狀圖進一步對比了不同鐵電薄膜在 405 nm 和 905 nm 激光照射下的光生電流、熱生電流及耦合電流，明確表明 BMO 的光-熱電耦合性能優(yōu)于其他材料，提升了整體的光電轉(zhuǎn)換效率。
圖1 BMO與其他材料的光-熱電耦合電流對比。(a) BMO 及其他鐵電薄膜在光和熱輸入條件下產(chǎn)生電流的示意圖；(b) LNO/BMO/ITO 器件的實物照片及原子級結(jié)構(gòu)示意圖，比例尺 4 mm；(c) LNO/BMO/ITO 器件的截面 SEM 圖像，比例尺 200 nm；(d) BMO與其他材料的光生電流、熱生電流和耦合電流大小的比較。
圖 2 主要展示了 BMO 薄膜器件在不同激光波長和溫度條件下的光-熱電耦合性能優(yōu)化。首先通過調(diào)整 LNO 和 BMO 層數(shù)來優(yōu)化器件輸出性能，最終確定了 12 層 LNO 和 12 層 BMO 作為最佳結(jié)構(gòu)。圖 2a 顯示了 BMO 在 405 nm和 905 nm 激光照射下的光生電流、熱生電流及耦合電流，并證明其耦合電流大于單獨光生電流和熱生電流之和，表現(xiàn)出增強的光-熱電協(xié)同效應。圖 2b-c 進一步探討了光-熱電耦合因子與激光波長的關(guān)系，發(fā)現(xiàn) 405 nm 激光激發(fā)的光生電流與 905 nm 激光激發(fā)的熱生電流組合可實現(xiàn)最大耦合因子。圖 2d-e 研究了905 nm 激光照射時 BMO 的溫度變化對耦合因子的影響，發(fā)現(xiàn)當器件溫度達到 58.1°C 時，光-熱電耦合因子達到最大值。
圖2 BMO薄膜光-熱電耦合性能的增強。(a) BMO在405 nm激光照射下的光生電流、在405 nm 和905 nm激光組合照射下的耦合電流、以及在 905 nm 激光照射下的熱生電流；(b) 不同激光波長照射下的光生電流、不同激光波長與905 nm激光組合照射下的耦合電流、905 nm激光照射下的熱生電流的電流(I)-時間(t)曲線；(c) BMO 在不同激光波長照射下的光生電流、熱生電流、耦合電流及其耦合因子；(d) 405 nm激光照射下的光生電流、不同溫度下405 nm和905 nm激光組合照射的耦合電流、不同溫度下905 nm激光照射的熱生電流的I-t曲線；(e) BMO在不同溫度下被905 nm激光照射時的光生電流、熱生電流、耦合電流及電流耦合系數(shù)。
圖 3 主要對比了 BMO 和 BNT 鐵電薄膜的光-熱電耦合特性，并分析其光生電流和熱生電流的形成機制。圖 3a 顯示了 BNT 和 BMO 在 405 nm 和905 nm 激光照射下的電流變化，結(jié)果表明 BNT 的光生電流和熱生電流極性相反，導致耦合效應減弱，而 BMO 由于光生電流和熱生電流極性相同，實現(xiàn)了增強的光-熱電耦合。圖 3b 通過電滯回線和壓電力顯微鏡測試確認了 BMO 薄膜的鐵電特性，并表明其鐵電響應隨厚度增加而增強。圖 3c-d 展示了 BNT 和 BMO 的電流-電壓（I-V）特性，發(fā)現(xiàn) BNT 由于肖特基勢壘的存在導致光生電流方向固定，而 BMO 由于沒有形成肖特基勢壘，其光生電流完全由自發(fā)極化方向決定，從而實現(xiàn)了更高效的光電轉(zhuǎn)換。圖 3e-f 進一步分析了兩種薄膜的能帶結(jié)構(gòu)，確認了 BNT 的光生電流主要由肖特基結(jié)決定，而 BMO 則是由其內(nèi)部極化電場驅(qū)動。圖 3g-h 說明了兩種材料在 905 nm 激光照射下的熱生電流形成機制，其中 BNT 的熱生電流方向與光生電流相反，削弱了光-熱電耦合，而 BMO 的熱生電流方向與光生電流一致，實現(xiàn)了協(xié)同增強。
圖3 BNT和BMO薄膜的光-熱電耦合機制。(a) BNT和BMO薄膜在405 nm激光照射下的光生電流、405 nm和905 nm激光組合照射下的耦合電流、905 nm激光照射下的熱生電流；(b) BMO 薄膜的電滯回線及“box-in-box”極化寫入后的面外相位圖像；(c-d) BNT 和 BMO 薄膜在黑暗環(huán)境及 405 nm 激光照射下的電流(I)-電壓(V)特性曲線；(e-f) BNT和 BMO 薄膜在 405 nm 激光照射下的能帶結(jié)構(gòu)示意圖；(g-h) BNT 和 BMO 薄膜在非對稱溫度梯度作用下，電子運動及熱生電流方向的示意圖。
圖 4 主要對比了 BNT 和 BMO 薄膜的光-熱電耦合功率輸出及相關(guān)性能，并評估不同鐵電材料的耦合因子。圖 4a-b 顯示了 BNT 和 BMO 在 405 nm 和 905 nm 激光照射下的光生功率、熱生功率及耦合功率隨負載電阻的變化情況，結(jié)果表明BNT 的耦合功率低于光電和熱電功率之和，而 BMO 的耦合功率遠超二者之和，表現(xiàn)出明顯的增強效應。圖 4c-d 進一步比較了兩種薄膜的電流、電壓、功率、能量和電荷，并通過雷達圖展示了其光-熱電耦合性能，結(jié)果顯示 BNT 的耦合性能低于單獨光電和熱電輸出的總和，而 BMO 的耦合性能始終高于兩者之和。圖 4e 統(tǒng)計了 BNT 和 BMO 的不同輸出參數(shù)的耦合因子，發(fā)現(xiàn) BMO 在所有指標上均優(yōu)于 BNT，尤其是功率（2.04）和能量（1.95）表現(xiàn)突出，表明 BMO 具備顯著的光-熱電耦合增強能力。圖 4f 進一步評估了其他鐵電薄膜材料的耦合因子，結(jié)果表明 僅有 BMO 的光-熱電耦合因子大于 1，展現(xiàn)出其獨特優(yōu)勢。
圖4 BMO 與其他鐵電材料的電學性能及耦合因子對比。(a-b) BNT 和 BMO 薄膜的光生電流、熱生電流及耦合電流所產(chǎn)生的功率輸出；(c-d) BNT 和 BMO 薄膜的光生電流、熱生電流及耦合電流所產(chǎn)生的電流、電壓、功率、能量和電荷對比；(e) BNT 和 BMO 薄膜的電流、電壓、功率、能量和電荷的耦合因子；(f) 不同鐵電材料的電流耦合因子對比。
本工作構(gòu)建了一種 LaNiO3/BiMn2O5(BMO)/ITO薄膜器件，能夠在光電和熱電共同作用下實現(xiàn)增強的耦合效應。在各種耦合性能指標中，該器件的功率和能量耦合因子分別達到 2.04 和 1.95，表明光電流和熱電流的協(xié)同增強效應顯著提高了系統(tǒng)的整體能量轉(zhuǎn)換效率。此外，本研究通過實驗比較了BiMn2O5(BMO)鐵電薄膜與其他常見鐵電薄膜材料的光-熱電耦合性能。結(jié)果表明，BMO 薄膜具有獨特的光-熱電耦合特性，其中光生電流和熱生電流的極性相同，主要歸因于 BMO 材料克服了肖特基勢壘，并且其光生電流方向完全由自發(fā)極化方向決定。本研究證明了BMO 鐵電薄膜器件在復雜環(huán)境下可用于高效可再生能源收集，尤其適用于同時包含多種能量來源的場景。這一發(fā)現(xiàn)拓展了鐵電薄膜在光熱能量收集與傳感等多個領(lǐng)域的應用前景。
團隊介紹
Aohan Xu，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所碩士研究生，主要研究方向為鐵電材料及其輸出性能。
Chong Guo，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所碩士研究生，主要研究方向為單晶材料和鐵電材料。
楊亞，中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員，博士生導師。在微納能源與傳感研究方面，取得了具有國際重要影響力的原創(chuàng)性和開創(chuàng)性研究成果。以構(gòu)建高性能復合型納米發(fā)電機和高精度自供電傳感器陣列為目標，從材料的設(shè)計和可控制備出發(fā)，探索力-熱-光耦合效應對納米發(fā)電機的調(diào)制機理，在新型復合型納米發(fā)電機的設(shè)計和集成、基于納米發(fā)電機的自驅(qū)動傳感器、柔性大規(guī)模傳感器陣列等領(lǐng)域取得了重要進展。
