體光伏效應（Bulk Photovoltaic Effect）是一種存在于非中心對稱材料中的新型光伏效應。體光伏效應具有偏振光的角度分辨性以及突破pn結光伏電池Shockley-Queisser理論極限的潛力，這些獨特優勢使得體光伏效應成為光伏領域的研究前沿和熱點。另一方面，自支撐氧化物薄膜是一種將外延氧化物薄膜從襯底剝離后獨立存在的薄膜形態。由于擺脫了襯底應力約束，自支撐氧化物薄膜已展現出超彈性、單層鐵電性、鐵電拓撲和撓曲電光伏耦合效應等多種新奇物理現象，這使得自支撐氧化薄膜成為研究各種新奇物性的理想平臺。從對稱性角度分析，自支撐氧化物薄膜帶來晶體對稱性變化，這有望改變其體光伏效應。但是，自支撐氧化物薄膜的體光伏效應究竟如何，是否表現出類似的新奇特性，尚缺乏實驗研究。
針對這類科學問題，華東師范大學物理與電子科學學院孫琳教授課題組在成功制備自支撐鐵電單疇BiFeO?(BFO)薄膜的基礎上，首次發現了自支撐單疇BFO薄膜具有顯著增強的體光伏效應，并闡明了體光伏效應增強的微觀機理。該項成果可為發展高效和柔性的新型光伏器件提供了新策略，研究成果以“Enhanced Bulk Photovoltaic Effect of Single-Domain Freestanding BiFeO3Membranes”為題，發表于 Advanced Materials 期刊。
Advanced Materials 刊發華東師大物理與電子科學學院孫琳教授課題組研究成果
具體而言，與襯底約束的BFO薄膜相比，自支撐BFO薄膜增強了約200%的光伏響應。通過水溶性犧牲層技術，研究團隊成功將單疇BFO薄膜從SrTiO?襯底剝離，并轉移至Si襯底上。自支撐氧化物薄膜不僅保持了鐵電單疇的晶體結構，還消除了襯底應力限制，誘導了BFO從單斜相向菱方相的轉變。由于菱方相的氧八面體中心鐵離子(Fe)的位移增大，自支撐BFO膜展現出更大的面內鐵電極化，進而導致了更大的位移電流和彈道電流，最終顯著增強了自支撐BFO薄膜體光伏效應。自支撐BFO膜可與硅基電子器件或二維材料集成，有利于推動多功能新型光伏器件設計和開發。
圖1. 自支撐鐵電氧化物薄膜BFO的制備、體光伏效應和微觀機理
華東師范大學為論文第一完成單位，孫琳教授和齊瑞娟高級工程師為論文通訊作者，博士生林建俊和王鴻如為論文第一作者。研究工作得到國家自然科學基金委、華東師范大學極化材料與器件教育部重點實驗室、華東師范大學電鏡中心和微納加工中心的大力支持。
附：
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202414113
來源｜物理與電子科學學院、科技處 編輯｜史佳妮 編審｜郭文君
