上海硅酸鹽所在柔性鐵電復(fù)合薄膜光電特性研究方面取得新進(jìn)展

鐵電材料因存在自發(fā)極化，可以產(chǎn)生獨(dú)特的光伏響應(yīng)，在光電探測(cè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。柔性鐵電材料更是在可穿戴器件及人機(jī)交互等領(lǐng)域被寄予厚望。然而，大多數(shù)柔性鐵電材料具有難極化、光吸收系數(shù)低等缺點(diǎn)，難以產(chǎn)生高的光伏響應(yīng)。制備有機(jī)無(wú)機(jī)鐵電復(fù)合薄膜有利于在較低的極化電壓下獲得高極化性能，并且選擇合適的填充材料還可以調(diào)控光吸收特性，這對(duì)于獲得具有高光伏響應(yīng)的柔性鐵電薄膜具有重要意義。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所在柔性鐵電復(fù)合薄膜光電響應(yīng)提升研究中取得新進(jìn)展。通過(guò)在鐵電陶瓷粉體BZTM-BCT表面負(fù)載Au和Ag金屬納米顆粒，然后將其嵌入有機(jī)鐵電薄膜PVDF，制備了一種柔性鐵電復(fù)合薄膜PVDF/BZTM-BCT:Au/Ag，相較純PVDF薄膜，復(fù)合薄膜具有高達(dá)93%的鐵電相含量以及明顯的可見(jiàn)光吸收?！皬澢?極化”狀態(tài)下復(fù)合薄膜的光電流比純PVDF提升達(dá)57倍。機(jī)理研究表明，該狀態(tài)下，撓曲電極化與鐵電極化協(xié)同促進(jìn)了光生載流子的分離和傳輸；此外，Au和Ag金屬納米顆粒中的電子在光熱激發(fā)后穿過(guò)肖特基結(jié)進(jìn)入BZTM-BCT中，增加了光生載流子濃度，兩者協(xié)同作用促進(jìn)了光電性能的提升。器件測(cè)試表明，該復(fù)合薄膜不僅可以感知光，還可以監(jiān)測(cè)與其接觸物體的移動(dòng)與形變，展示了在多功能光電傳感器應(yīng)用中的巨大潛力。相關(guān)研究成果以“Ferroelectric, flexoelectric and photothermal coupling in PVDF-based composites for flexible photoelectric sensors”為題發(fā)表在Materials Horizons (2024, DOI: 10.1039/d4mh00667d)。論文第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生王路，指導(dǎo)教師易志國(guó)研究員。

圖1 納米Au/Ag修飾的鐵電BZTM-BCT粉體的基本物理特性。

圖2. 柔性鐵電復(fù)合薄膜PVDF/BZTM-BCT:Au/Ag的結(jié)構(gòu)和物理性能表征。

圖3. 復(fù)合薄膜光電性能表征。

圖4. 復(fù)合薄膜光電性能調(diào)控及機(jī)理解釋。

圖5. 器件的多功能特性演示。

該工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金，上海市自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目等資助。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1039/D4MH00667D