宽谱自驱动光电探测柔性多轴杂化钙钛矿铁电薄膜

日期： 2022-11-14

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来源：x-mol

自从在罗息盐中观察到铁电性能以来，具有自发极化效应的铁电体被认为是有前途的电活性材料。与体块陶瓷和单晶相比，薄膜的重量轻、体积小、工作电压低，可以满足小型化电子设备的需求。特别是一些铁电薄膜能够涂覆在柔性基底上，可以承受不规则的机械变形，为制备可穿戴设备提供了很多机会。近日，中国科学院福建物质结构研究所罗军华（点击查看介绍）团队在二维钙钛矿铁电体系中制备了一种柔性自驱动宽谱光电探测器。

作为无机氧化物铁电体的替代者或补充材料，无机有机杂化铁电薄膜具有结构可调性、机械灵活性、易于加工及制备温度低等优点。在实际应用中，铁电体的多极轴属性是重要特性，以便使其自发极化尽可能沿更多方向随着外部施加电场翻转。铁电自发极化产生的内建电场可以促进载流子分离，有利于半导体器光电性能。尽管分子铁电薄膜在非易失性存储和机电耦合方面已经取得了很大的进展，但是具有宽谱光学活性的多极轴铁电薄膜仍然存在一个巨大的空白。这是因为材料吸收光谱的范围越宽，电子运动自由能越大，光激发载流子的漏电电流将会屏蔽晶格畸变引起的铁电极化效应。这严重阻碍了铁电材料在光电子领域的发展。

中科院福建物构所结构化学国家重点实验室“无机光电功能晶体材料”罗军华团队开发的宽谱响应的无机有机杂化钙钛矿自驱动光电探测器弥补了上述空白。他们的设计思路是以三维钙钛矿骨架为模板，采用“降维策略”，通过引入有机基元诱导结构相变，从而获得二维多层钙钛矿铁电体。其中，二维多层无机框架为载流子传输提供了绝佳的机会，而有机基元偶极子的有序无序运动可以产生铁电极化。立足上述策略，成功构筑了一例半导体性能优异且具有宽谱光学活性的二维钙钛矿铁电体（HA2EA2Pb3I10，HA = 正己胺阳离子），其带隙仅为1.83 eV。二维多层杂化钙钛矿很好地平衡了铁电极化性能和宽谱光学吸收之间的矛盾。另外，结构相变产生的对称性破缺分析表明该铁电体具有8个等效的极化方向，超过了经典的无机铁电体钛酸钡（室温下具有6个等效的极化方向）。特别是，通过旋涂法得到的HA2EA2Pb3I10柔性薄膜近似平行于其层状无机框架，表现出优异的面内自发极化。进一步地，在柔性薄膜上实现了自驱动宽谱光电探测，揭示了其在柔性和可穿戴电子设备上的应用潜力。该结果为柔性光电子器件的设计提供了启示，并为拓展分子铁电材料的应用提供了有效途径。

相关研究发表在Journal of the American Chemical Society 期刊上。文章的第一作者是中国科学院福建物质结构研究所博士后韩世国。

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