Nature Communications I 条纹畴型BiFeO3薄膜的异常圆形体光伏效应

Nature Communications I 

Anomalous circular bulk photovoltaic effect in BiFeO₃ thin films with stripe-domain pattern

David S Knoche, Matthias Steimecke, Yeseul Yun, Lutz Mühlenbein, Akash Bhatnagar 

条纹畴型BiFeO₃薄膜的

异常圆形体光伏效应

铁电体中光电效应的重新发现具有深远的意义。在适当的照明条件下产生上述带隙开路电压(Voc)又引起另一次的广泛关注。一般来说，不具有反演对称性的材料中的光伏效应可以分解为线性和圆形两部分，即线性体光伏效应(LBPV)和圆形体光伏效应(CBPV)。CBPV产生的光电流取决于CP光的螺旋度，给定螺旋度的光激发自旋向上↑的电荷，相反螺旋度的光激发自旋向下↓的电荷。因此，CBPV经常被用作探测方法，以检测不同块状材料系统中的Rashba分裂，如BiTeBr和ZnO等。尽管BiFeO₃也满足了所有的基本标准，但CBPV从未在BiFeO₃ 中被研究过。BiFeO₃ 的禁带宽度(Eg≈2.7eV) 位于太阳光谱的可见范围内，其对应的光伏效应已被证明是由对称性控制的。铁电畴的排列可以通过调节生长条件，如衬底对称性和端部、气体压力和相关成分，来设计成周期阵列。室温下BiFeO₃ 的多铁特性表现为极化矢量和磁阶之间相当复杂的耦合。周期性铁电畴图案实质上呈现了生长在各种不同衬底上的BiFeO₃ 薄膜的等有序磁织构。这显然提供了一些有趣的机会来分析特定领域的光-物质相互作用，这些相互作用是具有手征结构的材料所固有的。因此，BiFeO₃ 薄膜为研究这些非常离散的方面的重叠提供了有利的前景。

2021年初，David S. Knoche, Matthias Steimecke, Yeseul Yun, Lutz Mühlenbein和Akash Bhatnagar 研究团队在Nature 上发表了条形畴型BiFeO₃ 薄膜的反常圆形体光伏效应的文章。在这项工作中，他们研究了外延生长BiFeO₃ 薄膜中的CBPV。LBPV首先用于确定Voc远高于带隙的样品的光伏活性。通过将光的偏振从线性调制到圆形，系统地研究了BPV。改变的CP光螺旋度（左 ↔ 右）产生相反极性的Voc，尽管与LP光下的ZD响应相比，其量级接近一半。用CBPV张量分析反应表明，一个相当引人注目的场景涉及CP光的特定领域的相互作用。这方面的测试与不同的测量几何结果的开关状态显示手性依赖光伏效应和关闭状态。以下是部分示例。

在这项工作中，为了明确区分LBPV和CBPV引起的反应，展示了在CP光照下BiFeO₃ 的光伏响应。

图1:BiFeO₃薄膜中LBPV和CBPV的光电测量

最初，当光的偏振从线性到椭圆再到圆形逐渐变化时，发现椭圆偏振的光电响应明显更高。总体反应是线性和圆形BPV效应的贡献之和。

图2:将BPV响应反褶积成线性和圆形效应

在分析评估的基础上，实验室设计了一个测量几何结构，分别关注LCP和RCP光照下每个变量的CBPV响应。用相关的张量分析CBPV响应，明确地表明了BPV效应的异常特征以及光与结构域变体的螺旋度依赖性相互作用的必要性。

图3:电极排列显示LCP响应优于RCP响应

而对于BiFeO₃薄膜的表征和极性分析，则采用了压电力显微镜，采用脉冲激光沉积系统在单晶DyScO₃ (110)orth衬底上沉积了厚度约为200 nm的BiFeO₃薄膜。结果样品的形貌看起来很平滑（均方根粗糙度Rq≈ 850 pm），沿[100]pc 有条纹。横向信号、相位 和振幅，从压电力显微镜（PFM）获得的结果显示，在许多情况下，周期性畴模式和畴在整个扫描宽度（7.5μm）上伸展。条纹畴排列揭示了[100]pc 中约170 nm的平均周期长度。由于来自PFM的垂直信号在颜色上基本一致，可以暗示八种可能的变体中仅存在两种变体，它们由71∘畴壁隔开。这种条状畴的周期性排列导致[101]pc中产生净极化。

图4:BiFeO₃薄膜的畴结构表征。

a. 用原子力显微镜观察表面形貌 (Rq≈850 pm); 

b. 相应的平面内PFM相位图像(7.5 × 7.5 μm²) 红色箭头表示面内净极化，这是由于只有两个极化变量PL和PR的条纹有序畴排列造成的。

c和d. PL 和PR 在（002）pc衬底峰附近的X射线衍射2θ - ω扫描中示意性地显示。

PFM 图像采集是使用了Park NX10机台。

1. 低噪声Z轴探测器进行JZ的样品形貌测量

2. 将XY和Z扫描器分离，实现探针与样品间的真正非接触，避免形貌扫描过程中因探针磨损带来的图像失真。

3. 真正非接触模式可保证ZJ探针寿命，高分辨率以及更好的保护样品。