Nature Communications I 

Anomalous circular bulk photovoltaic effect in BiFeO 3 thin films with stripe-domain pattern

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

條紋疇型BiFeO3薄膜的

異常圓形體光伏效應(yīng)

鐵電體中光電效應(yīng)的重新發(fā)現(xiàn)具有深遠(yuǎn)的意義。在適當(dāng)?shù)恼彰鳁l件下產(chǎn)生上述帶隙開(kāi)路電壓(Voc)又引起另一次的廣泛關(guān)注。一般來(lái)說(shuō)，不具有反演對(duì)稱(chēng)性的材料中的光伏效應(yīng)可以分解為線(xiàn)性和圓形兩部分，即線(xiàn)性體光伏效應(yīng)(LBPV)和圓形體光伏效應(yīng)(CBPV)。CBPV產(chǎn)生的光電流取決于CP光的螺旋度，給定螺旋度的光激發(fā)自旋向上↑的電荷，相反螺旋度的光激發(fā)自旋向下↓的電荷。因此，CBPV經(jīng)常被用作探測(cè)方法，以檢測(cè)不同塊狀材料系統(tǒng)中的Rashba分裂，如BiTeBr和ZnO等。盡管BiFeO3也滿(mǎn)足了所有的基本標(biāo)準(zhǔn)，但CBPV從未在BiFeO3 中被研究過(guò)。BiFeO3 的禁帶寬度(Eg≈2.7eV) 位于太陽(yáng)光譜的可見(jiàn)范圍內(nèi)，其對(duì)應(yīng)的光伏效應(yīng)已被證明是由對(duì)稱(chēng)性控制的。鐵電疇的排列可以通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)條件，如襯底對(duì)稱(chēng)性和端部、氣體壓力和相關(guān)成分，來(lái)設(shè)計(jì)成周期陣列。室溫下BiFeO3 的多鐵特性表現(xiàn)為極化矢量和磁階之間相當(dāng)復(fù)雜的耦合。周期性鐵電疇圖案實(shí)質(zhì)上呈現(xiàn)了生長(zhǎng)在各種不同襯底上的BiFeO3 薄膜的等有序磁織構(gòu)。這顯然提供了一些有趣的機(jī)會(huì)來(lái)分析特定領(lǐng)域的光-物質(zhì)相互作用，這些相互作用是具有手征結(jié)構(gòu)的材料所固有的。因此，BiFeO3 薄膜為研究這些非常離散的方面的重疊提供了有利的前景。

2021年初，David S. Knoche, Matthias Steimecke, Yeseul Yun, Lutz Mühlenbein和Akash Bhatnagar 研究團(tuán)隊(duì)在Nature 上發(fā)表了條形疇型BiFeO3 薄膜的反常圓形體光伏效應(yīng)的文章。在這項(xiàng)工作中，他們研究了外延生長(zhǎng)BiFeO3 薄膜中的CBPV。LBPV首先用于確定Voc遠(yuǎn)高于帶隙的樣品的光伏活性。通過(guò)將光的偏振從線(xiàn)性調(diào)制到圓形，系統(tǒng)地研究了BPV。改變的CP光螺旋度（左???右）產(chǎn)生相反極性的Voc，盡管與LP光下的ZD響應(yīng)相比，其量級(jí)接近一半。用CBPV張量分析反應(yīng)表明，一個(gè)相當(dāng)引人注目的場(chǎng)景涉及CP光的特定領(lǐng)域的相互作用。這方面的測(cè)試與不同的測(cè)量幾何結(jié)果的開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示手性依賴(lài)光伏效應(yīng)和關(guān)閉狀態(tài)。以下是部分示例。

在這項(xiàng)工作中，為了明確區(qū)分LBPV和CBPV引起的反應(yīng)，展示了在CP光照下BiFeO3 的光伏響應(yīng)。

圖1:BiFeO3薄膜中LBPV和CBPV的光電測(cè)量

Z初，當(dāng)光的偏振從線(xiàn)性到橢圓再到圓形逐漸變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)橢圓偏振的光電響應(yīng)明顯更高。總體反應(yīng)是線(xiàn)性和圓形BPV效應(yīng)的貢獻(xiàn)之和。

圖2:將BPV響應(yīng)反褶積成線(xiàn)性和圓形效應(yīng)

在分析評(píng)估的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一個(gè)測(cè)量幾何結(jié)構(gòu)，分別關(guān)注LCP和RCP光照下每個(gè)變量的CBPV響應(yīng)。用相關(guān)的張量分析CBPV響應(yīng)，明確地表明了BPV效應(yīng)的異常特征以及光與結(jié)構(gòu)域變體的螺旋度依賴(lài)性相互作用的必要性。

圖3:電極排列顯示LCP響應(yīng)優(yōu)于RCP響應(yīng)

而對(duì)于BiFeO3薄膜的表征和極性分析，則采用了壓電力顯微鏡，采用脈沖激光沉積系統(tǒng)在單晶DyScO3 (110)orth襯底上沉積了厚度約為200?nm的BiFeO3薄膜。結(jié)果樣品的形貌看起來(lái)很平滑（均方根粗糙度Rq≈?850?pm），沿[100]pc 有條紋。橫向信號(hào)、相位 和振幅，從壓電力顯微鏡（PFM）獲得的結(jié)果顯示，在許多情況下，周期性疇模式和疇在整個(gè)掃描寬度（7.5μm）上伸展。條紋疇排列揭示了[100]pc 中約170?nm的平均周期長(zhǎng)度。由于來(lái)自PFM的垂直信號(hào)在顏色上基本一致，可以暗示八種可能的變體中僅存在兩種變體，它們由71°疇壁隔開(kāi)。這種條狀疇的周期性排列導(dǎo)致[101]pc中產(chǎn)生凈極化。

圖4:BiFeO3薄膜的疇結(jié)構(gòu)表征。

a. 用原子力顯微鏡觀察表面形貌 (Rq≈850 pm); 

b. 相應(yīng)的平面內(nèi)PFM相位圖像(7.5 × 7.5 μm2) 紅色箭頭表示面內(nèi)凈極化，這是由于只有兩個(gè)極化變量PL和PR的條紋有序疇排列造成的。

c和d.?PL 和PR 在（002）pc襯底峰附近的X射線(xiàn)衍射2θ?-?ω掃描中示意性地顯示。

PFM 圖像采集是使用了Park NX10機(jī)臺(tái)。

1. 低噪聲Z軸探測(cè)器進(jìn)行JZ的樣品形貌測(cè)量

2. 將XY和Z掃描器分離，實(shí)現(xiàn)探針與樣品間的真正非接觸，避免形貌掃描過(guò)程中因探針磨損帶來(lái)的圖像失真。

3. 真正非接觸模式可保證ZJ探針壽命，高分辨率以及更好的保護(hù)樣品。