石家庄铁道大学首篇《Nature》:在新型界面压电材料研究领域取得重大突破

对称性是构成现代物理学基础的核心,从根本上决定了材料的属性。特别地,压电效应将机械能转换为电能,反之亦然,但该效应仅限于非中心对称材料。此外,热释电效应将热能转化为电能,它只发生在极性对称的材料中。材料的对称性通常由其原始的晶体结构决定,材料通常由于相变使其丧失对称性。

然而,材料的对称性也可以通过外部刺激来调节,这些刺激降低了任何中心对称材料的对称性,甚至破坏了它的反演对称性。许多材料(如中心对称锶钛氧化物(SrTiO3)和二氧化钛(TiO2))的各种功能有关,包括压电、热释电和光电效应与这种对称性的破坏有关。在异质结构界面上,由弯曲产生的内电场诱导的极性对称性,从而产生了包括压电和热释电在内的特殊功能属性。

耗尽区的内建电场在半导体中产生极性结构,产生大量的压电和热释电效应。尽管其效应具有普遍性,这种界面对称性调控以及由此产生的效应在很大程度上被人们忽略了。

【研究成果】

近日,英国华威大学Ming-Min Yang课题组在压电与热释电领域取得重要进展。该工作以经典的界面为研究对象,即由贵金属和中心对称半导体形成的肖特基结,包括铌掺杂钛酸锶晶体铌掺杂二氧化钛晶体铌掺杂钛酸锶钡陶瓷。耗尽区的内建电场在半导体中产生极性结构,产生大量的压电和热释电效应。特别是,界面的热释电系数比传统的块体极性材料大一个数量级。作者的工作丰富了异质结构界面的功能,提供了一种全新的方法来超越传统的固有对称性限制的能量转换。该工作以标题“Piezoelectric and pyroelectric effects induced by interface polar symmetry” 发表于综合性顶级期刊Nature上。文章的第一作者是华威大学Ming-Min Yang,华威大学Ming-Min Yang及Marin Alexe为本文的通讯作者。石家庄铁道大学为该研究成果的第二作者单位。这是该校参与的研究成果首次发表在国际顶级期刊《自然》上,为石家庄铁道大学建校70周年献上一份厚礼。

石家庄铁道大学首篇《Nature》:在新型界面压电材料研究领域取得重大突破

【图文解读】

石家庄铁道大学首篇《Nature》:在新型界面压电材料研究领域取得重大突破
图1 晶体对称工程与肖特基结的电特性。

 

从原理上讲,电场可以引起晶体对称性的破坏。在外部刺激下的晶体只会显示出原始晶体和刺激物共同的对称元素。值得注意的是,电场作用下SrTiO3晶体沿其(001)方向将不再显示其原始立方对称性,而是极性对称性。因此,电场不仅破坏了中心对称材料的反转对称性,而且诱导了极性结构。电场既可以外施也可以内建,后者通常来源于能带弯曲或化学势梯度,这种情况通常出现在异质结界面区域。在此,作者证明了在界面上证明电场可以诱导材料的极性对称性,从而在中心对称材料中产生压电和热释电效应。此外,这些界面效应不仅可以在任何异质结构中人工诱导,而且可以合理地调整到比传统体材料大得多的量级。显然,压电系数是由中心对称的半导体特性决定的,例如介电常数和掺杂密度。更重要的是,界面正、逆压电效应都是由内建场和电致伸缩效应共同作用的结果。

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图2 界面压电效应。

 

为了验证肖特基结中界面压电效应的存在,作者在晶体边缘施加动态应力并测量界面产生的短路电流来表征其压电效应。在振幅为σ1=7.9 MPa和频率为f=500 Hz的正弦应力刺激下,Au/Nb:STO结输出相同频率的交变电流,振幅为J=10.1μA cm−2。更重要的是,输出的电流密度随外加应力的振幅线性增加,证明了Au/Nb:STO结中存在压电效应。为了证明界面压电效应是一种普遍效应,而不是仅存在于Nb:STO晶体中,作者对另一种中心对称半导体Nb:TiO2及其与肖特基结进行了相同的测量。假设与SrTiO3晶体具有相同的电致伸缩系数,则估算Au/Nb:TO结的压电常数为1.52 pC N−1。测得的Au/Nb:TO2结的压电系数约为0.97 pC N−1,其值与预测的接近。应当注意的是,具有欧姆接触的Nb:STO和Nb:TO晶体在机械刺激下不会产生任何压电效应,也不会产生电流,这证实了肖特基结在压电效应中的关键作用。

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图3 界面热释电效应。

 

肖特基结内建电场不仅破坏了晶体的反对称性,而且通过场的极性诱导了晶体的局部极化。因此,除了压电效应外,肖特基结还表现出热释电效应,这是任何极性结构的指纹特征。这种界面热释电效应源于肖特基结的介电常数、有效杂质密度和内建电势对温度的依赖性。为了证明这种情况,作者通过肖特基结的温度和产生的短路电流动态调节来测量肖特基结的热释电效应。当Au/Nb:STO结的温度被正弦调制时,该结输出相移为90°的交流电,其有力地证实了肖特基结处热释电效应的存在。Au/Nb:STO结的热释电系数在室温下达到298 μCm-2k-1。Au/Nb:TO结也表现出热释电效应,室温热释电系数为312 μC m−2K−1。

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图4 界面极性效应及其普遍性。

 

除了氧化物半导体外,发现电致伸缩效应大的半导体,提高界面压电系数还有很大的空间,例如有机-无机卤化物钙钛矿,其电致伸缩系数比SrTiO3晶体大三个数量级。值得注意的是,界面热释电效应远大于常规极性材料,即使是最好的铁电材料。肖特基结同时展现出可观的热释电系数和较大的优值系数。特别是,Au/Nb:BSTO界面显示了2.11 m2C−1的优值系数,这比传统铁电材料(例如LiTaO3晶体(FV=0.17 m2 C−1)大一个数量级。肖特基结优值的提高主要来自于损耗区的大热释电系数和由内建电场降低的介电常数。界面压电效应和热释电效应是适用于任何对称材料的普遍效应。值得注意的是,由于界面化学势的不均匀性,界面电场在不同材料的界面上普遍存在。

【研究小结】

从传统半导体和氧化物,到卤化物钙钛矿和二维材料,界面压电及热释电效应可以被发现并应用于广泛的材料中,这些特性使其在机电和热效应领域的实际应用中得到前所未有的发展。通过精心设计,界面极性效应还可以与内部或外部诱导极性产生的体效应协同作用,以获得高压电和热释电系数,甚至是新的效应。

全文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2602-4

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