光鐵電效應(yīng)
鐵電材料能引起研究人員興趣的是其內(nèi)部的電極化與其他材料性質(zhì)的耦合所可能帶來(lái)的多功能性材料調(diào)控的巨大潛力。比如前文所述：鐵電與鐵磁性的耦合被稱(chēng)作多鐵性材料；鐵電與鐵彈性耦合所得到的壓電性、繞曲電性等。本節(jié)主要介紹鐵電性與材料光學(xué)性能的耦合?！肮忤F電體”（photoferroelectrics）很 長(zhǎng)時(shí)間以前就被提出過(guò)，然而直到近年來(lái)才又被重新重視起來(lái)。
鐵電光伏效應(yīng)（ferroelectric photovoltaic fpv）不僅是光鐵電效應(yīng)的重要研 究方向之一，也是鐵電材料在光伏材料、光探測(cè)器等應(yīng)用領(lǐng)域被寄予厚望的特性之一。是指當(dāng)激光能量大于鐵電材料禁帶寬度的光源照射到材料上時(shí)，會(huì)激發(fā)產(chǎn)生可移動(dòng)的光生電子空穴對(duì)，這些可移動(dòng)的電荷作為載流子，會(huì)被鐵電體內(nèi)自發(fā)極化所伴生的退極化電場(chǎng)拉向材料兩端，從而產(chǎn)生電勢(shì)差，也即是鐵電材料所*的光伏效應(yīng)。傳統(tǒng)半導(dǎo)體光伏器件中，光生載流子是靠結(jié)界面處的耗盡層電場(chǎng)產(chǎn)生，吸收光的區(qū)域很窄效率低，且光生電壓在原理上不可能大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。而鐵電光伏材料zui大的區(qū)別是，不需要界面電勢(shì)差，材料內(nèi)部自身就可以有貫穿整個(gè)材料范圍的退極化電場(chǎng)，這一電場(chǎng)來(lái)自于鐵電材料自身的自發(fā)極化。因而，存在兩個(gè)明顯不同于普通光伏材料的特性： 1、光伏的方向和體內(nèi)極化方向有關(guān)，因而可以通過(guò)改變極化方向，自由的翻轉(zhuǎn)和調(diào)節(jié)光生電壓的方向。這一性質(zhì)也被提出可能被利用于非易失性鐵電存儲(chǔ)信號(hào)的讀取方式中。2、鐵電光伏材料中光生電壓的大小不受近代寬度的大小限制，只和退極化場(chǎng)的電勢(shì)差有關(guān)，因而理論上可以產(chǎn)生遠(yuǎn)大于材料自身禁帶寬度大小的光電壓。 2010 年，s. y. yang 等人在鐵電性 bfo 材料中觀測(cè)到了一個(gè)非常大的（~15 v）開(kāi)路光電壓。并認(rèn)為這個(gè)非常大的開(kāi)路光電壓主要起源于鐵電疇壁處很大的階躍電場(chǎng)。圖 1.13 中可以看到，平行于疇壁方向產(chǎn)生了一個(gè)非常大的開(kāi)路光電壓，而垂直于疇壁方向則沒(méi)有測(cè)到光電壓。
此后 akash bhatnagar 等人又提出了新的解釋?zhuān)麄冋J(rèn)為，雖然疇壁在鐵電光伏材料中的確扮演重要角色，但是光伏真正的來(lái)源是非中心對(duì)稱(chēng)材料的體光伏（bulk photovoltaic）效應(yīng)。不管是體光伏效應(yīng)還是疇壁主導(dǎo)的光伏效應(yīng)，都是*不同于半導(dǎo)體光伏器件的材料性質(zhì)。其研究不僅對(duì)理解鐵電材料內(nèi)部機(jī)理有重要意義，也對(duì)下一代可能應(yīng)用的鐵電光伏器件有重要的價(jià)值。在對(duì)鐵電光伏的機(jī)制研究過(guò)程中，又先后發(fā)現(xiàn)了針尖增強(qiáng)的空間各項(xiàng)異性光電流、具有長(zhǎng)時(shí)間的光生載流子壽命、以及長(zhǎng)時(shí)間馳豫的光生電流等效應(yīng)。在對(duì)鐵電光伏的應(yīng)用中研究人員還引入了傳統(tǒng) p-n 結(jié)光伏的性質(zhì)，在 p-n 結(jié)中加入鐵電材料使其變?yōu)槟芰哭D(zhuǎn)化效率更高的 p-f-n 結(jié)構(gòu)或者通過(guò)調(diào)節(jié)鐵電材料兩邊材料的功函數(shù)大小，優(yōu)化鐵電光伏效應(yīng)。圖 1.14 中是傳統(tǒng)光電二極管和鐵電材料 bfo 的光電信號(hào)的對(duì)比。可以明顯的看出，bfo 具有遠(yuǎn)大于光電二極管的響應(yīng)時(shí)間，以及光生載流子壽命。這一現(xiàn)象被解釋為 bfo 禁帶中靠近導(dǎo)帶的地方，存在陷阱能級(jí)，從而大大增加了光生載流子的壽命。這也成為鐵電光伏材料不同于普通材料的重要性質(zhì)之一。
雖然鐵電材料在光伏領(lǐng)域被寄予厚望，然而對(duì)于鐵電材料的光至效應(yīng)，如果只關(guān)注于鐵電光伏效應(yīng)的話，會(huì)太過(guò)于局限。值得注意的是，在鐵電材料中，光至效應(yīng)常常會(huì)于其他功能性材料性能耦合在一起。光至材料伸縮、光至退極化、光至太赫茲輻射等特性也陸續(xù)在不同材料中被人們發(fā)現(xiàn)。其中被報(bào)道的較明顯的一個(gè)例子是：鐵電的光彈性（或叫光至伸縮效應(yīng)）。這種光照導(dǎo)致的材料結(jié)構(gòu)尺寸上的改變，是由于鐵電光伏效應(yīng)和鐵電自身的逆壓電效應(yīng)相耦 合的結(jié)果。我們知道，鐵電材料的壓電性同時(shí)也存在逆壓電特性。既電場(chǎng)可以導(dǎo)致材料尺寸的伸縮。自然的，如果材料照光后，光伏效應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)必然會(huì)反過(guò)來(lái)導(dǎo)致材料產(chǎn)生可觀的結(jié)構(gòu)畸變。kundys b.等人在 bfo 單晶材料中看到的光照導(dǎo)致的尺寸改變就可以理解為 bfo 的光伏和鐵電性共同作用的結(jié)果。被拉緊的 bfo 薄膜材料由于其壓電效應(yīng)的大幅提升，這種光至伸縮也更為明顯。此外，研究人員利用超快時(shí)間分辨的 x 射線探測(cè)晶格常數(shù)的同時(shí)引入紫外光（~400nm）激發(fā) bfo 樣品，使這種光至結(jié)構(gòu)的改變?cè)诔鞎r(shí)域下被探測(cè)到。圖 1.15 為鐵電性 bfo 單晶材料光至伸縮的示意圖。圖中，光從（101）方向入射 bfo 塊材，材料沿著（010）方向伸長(zhǎng)。