重点实验室铁电半导体材料与器件研究取得系列重要进展
铁电半导体是一类兼具铁电性和半导体特征的功能材料，对其固有极化效应起源和多场调控的深入理解，促进了自发极化与光物理性能的耦合，孕育产生了具有重要应用前景的新物理现象与光电技术，在集成光子学、信息存储、高效光电器件等方面展现出巨大发展潜力。重点实验室孙志华研究员、罗军华研究员等围绕铁电半导体材料的结构设计、精准构筑及光电器件应用等开展系统研究，近期在铁电序-反铁电序共存、反常体光伏效应以及多物理场功能调控等方面取得了系列进展，相关工作推动了对铁电材料多场耦合过程与响应机制的认知，为拓展材料在光电领域的应用提供了新思路。
研究进展一：铁电半导体内漂移电流驱动的强反常体光伏效应
铁电材料产生的反常体光伏效应能够形成极高的开路电压输出（>103伏），在构筑高性能光电子器件、光伏电池等方面具有重要应用潜力。其中，漂移电流机制被认为是材料产生反常体光伏效应的重要物理基础，即光生载流子在非中心对称结构的晶体中由于波函数相位演化而产生的实空间位移作用。近期，团队成员在二维铁电半导体化合物(CHMA)2CsAgBiBr7 （其中CHMA为环己甲铵离子）中实现了强烈的反常体光伏效应，在材料的本征吸收光辐照下，铁电晶体两端能够产生超过40伏特的电压输出，显著高于材料本身的光学带隙（Eg ~ 2.3 eV）。进一步研究发现：材料产生光电响应行为与其内部的漂移电流机制密切相关，通过理论计算从微观结构阐释了Cs离子的偏心位移在调控电子波函数相位演化中发挥了重要作用，这是增强漂移电流和体光伏电流输出的主要结构因素。基于上述反常体光伏效应，晶体器件表现出优异的偏振光响应特性。该研究工作阐释了该类铁电半导体材料产生反常体光伏效应的结构起源，揭示了离子位移在调控漂移电流及光电效应中的重要作用，为发展高效光电子器件提供了重要参考。
相关研究成果以“Shift Current Anomalous Photovoltaics in a Double Perovskite Ferroelectric”为题发表在国际知名综合性学术期刊Proc. Natl. Acad. Sci.。
论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2518381123
研究进展二：实现铁电序-反铁电序在单一相晶体内共存
铁电序和反铁电序通常存在自由能竞争和结构不相容性，如何在单一相晶体材料实现两者兼容共存是一项挑战性课题。团队成员在低维铁电半导体化合物(BZA)2(EA)BiBr6（BZA和EA分别代表苄铵和乙铵离子）实现了强烈各向异性的多轴铁电序和反铁电序，其居里温度和自发极化强度分别约为380 K和2.5 μC/cm2。值得注意的，该化合物独特的复合阳离子结构包括尺寸与柔性各异的有机BZA和EA离子，诱导结构单元在不同轴向产生完全不同的空间排布方式。依据晶体结构的对称性原则(极性点群C2)，晶体内偶极矩沿着[010]方向平行排列，而沿任意[h0l]方向则呈现反向平行排列。在外电场作用下，电偶极在相应的极性轴方向和反极性方向发生翻转，从而形成各向异性的铁电序和反铁电序。该工作有力丰富了铁电材料的功能多样性，为实现多物理场作用下的极化调控提供了新途径。
相关研究成果以“Coexistence of Ferroelectricity and Antiferroelectricity in a Photoactive Low-Dimensional Coordination Single-Phase Crystal”为题发表在国际知名化学期刊J. Am. Chem. Soc.上。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c00155
研究进展三：极化工程调控铁电半导体的可重构非易失性光热释电效应
对铁电材料而而言，光热释电效应被认为是提升光电器件性能的有效途径之一，然而该过程面临极化强度衰减和抗疲劳能力不足等挑战, 难以实现可重构、非易失性的光热释电效应。近期，团队成功将极化工程应用于铁电半导体材料(NMCA)2PbCl4（NMCA是N-甲基环己铵离子），通过外加电场调控并优化自发极化态，显著增强了光热释电性能。在外电场作用下，其光热释电的电流强度提升了约两个数量级，即极化工程诱导铁电畴有序排布，可以显著增强材料的光电性能。此外，光热释电产生的电流方向可以通过极化电场进行自由切换，证实了了可重构与非易失的特性。该成果为铁电半导体材料在信息存储及神经形态视觉等领域的应用提供了思路，有望推动新一代高性能光电器件发展。
相关研究成果以“Reconfigurable and Nonvolatile Photo-Pyroelectricity in a Ceramic-Like Biaxial Molecular Ferroelectric via Polarization Engineering”为题发表在国际知名综合性期刊Science Advances上。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec5864
研究进展四：铁电半导体中畴工程调控的面内双折射
铁电畴工程是调控材料宏观物理性能的重要方法之一，通过畴结构调节材料的光学性能（例如双折射）仍然面临挑战。最近，团队成员利用畴工程策略成功实现了铁电半导体(2-MBA)2PbCl4（2-MBA代表2-甲基丁胺）的面内光学双折射性能的调控。该铁电半导体在室温附近发生结构相变，晶体对称性破缺诱导产生较强的自发极化。值得注意地，在热、光、力等外部刺激作用下，该铁电晶体的光学双折射发生了明显变化，而且变化过程与铁电畴结构密切相关，通过畴结构的改变能够实现对晶体面内双折射的调谐。该工作为改变材料光学性能提供了新思路，有望推动铁电半导体材料在数据存储和光学器件等领域发展。
相关研究成果以“Distinct Tunable In-Plane Birefringence via Domain Manipulation in a 2D Metal Halide Ferroelectric”为题发表在国际知名化学期刊Angew. Chem. Int. Ed.。
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