福建物構所鐵電半導體光電探測晶體材料研究獲進展

　　鐵電材料是一類特殊的極性化合物，基于自發極化效應表現出優良的非線性光學、壓電、熱釋電和鐵電等性能，在信息存儲、紅外探測、聲表面波和集成光電器件等領域有著重要應用，特別在光輻照下材料內部將出現非平衡載流子的激發，誘導電子云結構發生不對稱變化，從而誘導宏觀極化產生許多新的現象，如反常光伏效應、光折變效應等。近年來，無機/有機雜化鈣鈦礦材料在太陽能電池、光電器件等方面備受人們關注，其中二維層狀鈣鈦礦材料具有獨特的量子限域效應、激子效應和結構易于調控等特點，為設計合成鐵電體并組裝光電功能器件等提供了極大的可能性與選擇性。

　　中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室研究員羅軍華領導的無機光電功能晶體材料研究團隊在國家杰出青年基金、中科院戰略性先導科技專項和海西研究院“團隊百人”研究員孫志華主持的國家自然科學基金委優秀青年基金、中科院海西研究院“春苗人才”專項和福建省杰出青年基金等項目資助下，以三維溴化鉛鈣鈦礦為基礎，通過引入混合有機陽離子配體的設計策略，構筑了一例具有多層鈣鈦礦結構的鐵電化合物并組裝成光電探測晶體器件。在該晶體結構中，無機溴化鉛骨架保持了原有的鈣鈦礦結構，有機陽離子配體則發生了有序—無序的結構轉變，相變過程中偶極子有序排列誘導化合物產生自發極化；在施加外電場作用下材料的自發極化能夠發生翻轉，表現出明顯的鐵電性能。同時利用該鐵電晶體組裝的光電探測器表現出良好的探測性能，響應時間達到~150 μs，對晶體本征吸收區的光輻射可以實現高靈敏度、快速探測。該鐵電化合物不僅為研究人員后續設計合成極性光電功能材料提供了一種新的設計策略，作為一例潛在的光電探測材料，其還將進一步拓展無機/有機雜化鈣鈦礦材料在太陽能電池、光電探測等方面的應用范圍，相關研究結果最近發表于《德國應用化學》(Angew. Chem., Int. Ed., 2017, DOI:10.1002/anie.201705836）。團隊進一步利用鹵素摻雜實現了對該類無機有機雜化鈣鈦礦鐵電晶體材料的能帶和極化調控（相關結果最近發表在J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 2012）和通過對稱性破缺誘導極化實現非線性倍頻性能的多級開關調控（Chem. Mater., 2017, 29(7), 3251；Chem. Commun., 2017, 53, 7669）。

　　此前，團隊利用固體對稱性破缺結構相變誘導產生極化效應的設計策略構筑了一系列極性光電晶體材料（Angew. Chem., Int. Ed., 2012, 51, 3871；Adv. Fuct. Mater., 2012, 22, 4855；Adv. Mater., 2013, 25, 4159，Chem. Mater., 2015, 27, 4493；J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 15560；Adv. Mater., 2015, 27, 4795）；最近團隊將該策略應用于無機/有機雜化鈣鈦礦鐵電化合物的結構設計、性能調控及光電器件組裝等方面并取得了很好進展（Angew. Chem., Int. Ed., 2016, 55, 6545；Angew. Chem., Int. Ed., 2016, 55, 11845）。

（a）無機有機雜化鈣鈦礦鐵電半導體光電探測晶體材料

（b）對稱性破缺誘導極化實現非線性倍頻性能的多級開關調控