体光伏效应（Bulk Photovoltaic Effect）是一种存在于非中心对称材料中的新型光伏效应。体光伏效应具有偏振光的角度分辨性以及突破pn结光伏电池Shockley-Queisser理论极限的潜力，这些独特优势使得体光伏效应成为光伏领域的研究前沿和热点。另一方面，自支撑氧化物薄膜是一种将外延氧化物薄膜从衬底剥离后独立存在的薄膜形态。由于摆脱了衬底应力约束，自支撑氧化物薄膜已展现出超弹性、单层铁电性、铁电拓扑和挠曲电光伏耦合效应等多种新奇物理现象，这使得自支撑氧化薄膜成为研究各种新奇物性的理想平台。从对称性角度分析，自支撑氧化物薄膜带来晶体对称性变化，这有望改变其体光伏效应。但是，自支撑氧化物薄膜的体光伏效应究竟如何，是否表现出类似的新奇特性，尚缺乏实验研究。
针对这类科学问题，香港118现场直播站物理与电子科学学院孙琳教授课题组在成功制备自支撑铁电单畴BiFeO₃(BFO)薄膜的基础上，首次发现了自支撑单畴BFO薄膜具有显著增强的体光伏效应，并阐明了体光伏效应增强的微观机理。该项成果可为发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”为题，发表于 Advanced Materials 期刊。
Advanced Materials 刊发华东师大物理与电子科学学院孙琳教授课题组研究成果
具体而言，与衬底约束的BFO薄膜相比，自支撑BFO薄膜增强了约200%的光伏响应。通过水溶性牺牲层技术，研究团队成功将单畴BFO薄膜从SrTiO₃衬底剥离，并转移至Si衬底上。自支撑氧化物薄膜不仅保持了铁电单畴的晶体结构，还消除了衬底应力限制，诱导了BFO从单斜相向菱方相的转变。由于菱方相的氧八面体中心铁离子(Fe)的位移增大，自支撑BFO膜展现出更大的面内铁电极化，进而导致了更大的位移电流和弹道电流，最终显著增强了自支撑BFO薄膜体光伏效应。自支撑BFO膜可与硅基电子器件或二维材料集成，有利于推动多功能新型光伏器件设计和开发。
图1. 自支撑铁电氧化物薄膜BFO的制备、体光伏效应和微观机理
香港118现场直播站为论文第一完成单位，孙琳教授和齐瑞娟高级工程师为论文通讯作者，博士生林建俊和王鸿如为论文第一作者。研究工作得到国家自然科学基金委、香港118现场直播站极化材料与器件教育部重点实验室、香港118现场直播站电镜中心和微纳加工中心的大力支持。
附：
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202414113
来源｜物理与电子科学学院、科技处 编辑｜史佳妮 编审｜郭文君
