近日，山东大学晶体材料研究院张怀金、于浩海教授课题组与卧龙岗大学张树君教授合作，在铁电单晶的光电性能研究方面取得了重要进展。通过组分调控钙钛矿单晶KTa_1-xNb_xO₃的铁电功能基元序构，在晶体内部构建导电畴壁，使晶体的光电探测性能得到显著提升。相关研究成果以“Inverse design of ferroelectric-order in perovskite crystal for self-powered ultraviolet photodetection”为题，发表在国际学术期刊Advanced Materials上。山东大学是该论文的第一完成单位，文章第一作者是晶体材料国家重点实验室2019级博士生吴雅博，通讯作者为梁飞副研究员、于浩海教授和张树君教授。

铁电晶体是一类具有自发极化，且自发极化方向随外加电场方向变化而变化的晶体。铁电晶体中铁电畴的空间序构是调控晶体物性、提升器件性能和开辟晶体新应用领域的关键。铁电畴的空间序构可以与光的波长、相位、偏振等物理要素耦合，改变光波的产生、传播和探测过程，从而为构筑高集成、智能化铁电单晶光学器件提供可能。铁电晶体的宏观极化可以提供本征的内建电场，驱动光生载流子分离，使晶体器件在零偏压状态下检测光信号，即自供电探测器。但常见的氧化物铁电晶体都是绝缘体，带隙宽且导电性差，导致其光生电流强度低，光电转换效率也有待进一步提高。

以具有多年研究历史的体块钽铌酸钾（KTa_1-xNb_xO₃, KTN）晶体为研究对象，在前期非线性光学三维准相位匹配研究中，发现了自然生长的KTN晶体中存在三维分布且具有类似“魔方”结构的铁电畴，可实现多种位相匹配下的同时产生等新现象，相关研究工作于2020年以“Three-dimensional nonlinear photonic crystal in naturally grown potassium–tantalate–niobite perovskite ferroelectrics”发表在Light: Science & Applications上https://doi.org/10.1038/s41377-020-00427-z。

近期，在此基础上，研究团队利用晶体组分调控铁电畴的尺寸和空间序构，优选出有利于载流子分离和传输的极化排布类型。研究发现，当KTN晶体的居里温度T_c略高于室温时，KTN晶体中产生了大量的“头对头”“尾对尾”电极化分布，从而在不同极化方向的界面处形成牢固的导电畴壁。此时晶体内部的静电势呈现周期性涨落，驱动载流子沿着特定方向运动，实现载流子的高效分离和收集。在这种模式下，铁电畴既提供了有效的内建电场驱动载流子分离，同时降低了载流子的复合概率，从而构筑了两条互不干扰的“铁电高速公路”，有效提高晶体的光电流响应。得益于带电畴壁产生的电子-空穴通道，KTN晶体在零偏压下实现了超高的紫外光响应度，比此前报道的同类铁电材料高约四个数量级。该研究工作可能对发展基于铁电晶体的新型光功能器件具有重要意义，同时为功能基元序构调控在非线性光学、太阳能电池、发光二极管等光电子学领域的研究提供新的思路和借鉴。

该工作中使用的KTN晶体由山东省科学院新材料研究所王旭平研究员提供，山东大学物理学院郑立梅教授和硕士生田罡对晶体的PFM和CAFM测试做出了重要贡献。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、晶体材料国家重点实验室和山东大学"青年学者未来计划"的经费支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105108