近日，国际材料类顶级期刊Advanced Material（2018年影响因子21.95）以“Design for Highly Piezoelectric and Visible/Near-infrared Photoresponsive Perovskite Oxides”为题在线发表了上海交通大学材料科学与工程学院郭益平教授研究课题组在宽光谱吸收高压电铁电性能电子陶瓷的设计和合成方面取得的重要进展。

目前大部分传统的无机铁电半导体都是基于铁酸铋。但是铁酸铋的铁电性压电性能不够高，而且无法实现对可见光的全谱吸收（Eg~2.7eV）。虽然已有研究提出能够在钙钛矿氧化物ABO3的B位进行掺杂可同时实现可见光的全谱吸收和铁电性，但是这类材料往往由于伴随着氧空位缺陷的引入导致漏电而只能保有非常弱的铁电压电性。因此科学家一直在寻找一种有效的途径来实现铁电钙钛矿材料能够同时具有高的室温铁电压电性和对可见光的全谱吸收。

图一：(a)能带图：Ni 3d_(z^2 )能级作为导带和价带间的脚手架;  (b)多能量响应测试图

借助于唯象理论和第一性原理计算，该研究团队提出了一种 基于“缺陷工程”的有效设计策略。通过在准同型相界组分的弛豫铁电体中掺杂引入“脚手架”（中间态能级）实现了对可见光的全光谱吸收；同时利用准同型相界组分里面本身自带的高界面能驱使缺陷诱导的极化和铁电体的自发极化产生强相互作用，诱发缺陷偶极子沿铁电体的自发极化方向排列，达到了增强材料压电性能的作用。研究团队成功合成出了过渡族Ni掺杂的 (Na0.5Bi0.5)TiO3-Ba(Ti0.5Ni0.5)O3- 陶瓷，Ni的掺杂使其室温铁电压电性能得到了意想不到的提升，剩余极化Pr达到了31 μCcm-2，压电系数d33达到了151 pC N-1。该铁电钙钛矿氧化物不仅具有可见光的全光谱吸收而且第一次实现了钙钛矿氧化物对近红外光的吸收。同时该类型材料在多能量信号刺激下（光能，热能和动能）能获得稳定独立的响应电流。这一研究成果为铁电多功能材料在多能量响应和采集、光电转换和传感、光伏等领域的应用奠定了基础。

图二：(a) 近红外光电响应图;  (b)多能量响应电流图

本研究工作主要由上海交通大学为第一单位完成,上海交大的二年级直博生肖鸿源和英国华威大学的董文博士后研究员为论文的共同第一作者，郭益平教授为论文的通讯作者。郭益平研究团队长期致力于铁电压电材料的基础和应用研究，承担了多项国家自然科学基金的研究任务。相关工作得到了国家自然科学基金（11874257, 11474199和51332009）的资助。   　　

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201805802