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 

條紋疇型BiFeO₃薄膜的

異常圓形體光伏效應

鐵電體中光電效應的重新發現具有深遠的意義。在適當的照明條件下產生上述帶隙開路電壓(Voc)又引起另一次的廣泛關注。一般來說，不具有反演對稱性的材料中的光伏效應可以分解為線性和圓形兩部分，即線性體光伏效應(LBPV)和圓形體光伏效應(CBPV)。CBPV產生的光電流取決于CP光的螺旋度，給定螺旋度的光激發自旋向上↑的電荷，相反螺旋度的光激發自旋向下↓的電荷。因此，CBPV經常被用作探測方法，以檢測不同塊狀材料系統中的Rashba分裂，如BiTeBr和ZnO等。盡管BiFeO₃也滿足了所有的基本標準，但CBPV從未在BiFeO₃ 中被研究過。BiFeO₃ 的禁帶寬度(Eg≈2.7eV) 位于太陽光譜的可見范圍內，其對應的光伏效應已被證明是由對稱性控制的。鐵電疇的排列可以通過調節生長條件，如襯底對稱性和端部、氣體壓力和相關成分，來設計成周期陣列。室溫下BiFeO₃ 的多鐵特性表現為極化矢量和磁階之間相當復雜的耦合。周期性鐵電疇圖案實質上呈現了生長在各種不同襯底上的BiFeO₃ 薄膜的等有序磁織構。這顯然提供了一些有趣的機會來分析特定領域的光-物質相互作用，這些相互作用是具有手征結構的材料所固有的。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 研究團隊在Nature 上發表了條形疇型BiFeO₃ 薄膜的反常圓形體光伏效應的文章。在這項工作中，他們研究了外延生長BiFeO₃ 薄膜中的CBPV。LBPV首先用于確定Voc遠高于帶隙的樣品的光伏活性。通過將光的偏振從線性調制到圓形，系統地研究了BPV。改變的CP光螺旋度（左???右）產生相反極性的Voc，盡管與LP光下的ZD響應相比，其量級接近一半。用CBPV張量分析反應表明，一個相當引人注目的場景涉及CP光的特定領域的相互作用。這方面的測試與不同的測量幾何結果的開關狀態顯示手性依賴光伏效應和關閉狀態。以下是部分示例。

在這項工作中，為了明確區分LBPV和CBPV引起的反應，展示了在CP光照下BiFeO₃ 的光伏響應。

圖1:BiFeO₃薄膜中LBPV和CBPV的光電測量

Z初，當光的偏振從線性到橢圓再到圓形逐漸變化時，發現橢圓偏振的光電響應明顯更高。總體反應是線性和圓形BPV效應的貢獻之和。

圖2:將BPV響應反褶積成線性和圓形效應

在分析評估的基礎上，實驗室設計了一個測量幾何結構，分別關注LCP和RCP光照下每個變量的CBPV響應。用相關的張量分析CBPV響應，明確地表明了BPV效應的異常特征以及光與結構域變體的螺旋度依賴性相互作用的必要性。

圖3:電極排列顯示LCP響應優于RCP響應

而對于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在單晶DyScO₃ (110)orth襯底上沉積了厚度約為200?nm的BiFeO₃薄膜。結果樣品的形貌看起來很平滑（均方根粗糙度Rq≈?850?pm），沿[100]pc 有條紋。橫向信號、相位 和振幅，從壓電力顯微鏡（PFM）獲得的結果顯示，在許多情況下，周期性疇模式和疇在整個掃描寬度（7.5μm）上伸展。條紋疇排列揭示了[100]pc 中約170?nm的平均周期長度。由于來自PFM的垂直信號在顏色上基本一致，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。這種條狀疇的周期性排列導致[101]pc中產生凈極化。

圖4:BiFeO₃薄膜的疇結構表征。

a. 用原子力顯微鏡觀察表面形貌 (Rq≈850 pm); 

b. 相應的平面內PFM相位圖像(7.5 × 7.5 μm2) 紅色箭頭表示面內凈極化，這是由于只有兩個極化變量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機臺。

1. 低噪聲Z軸探測器進行JZ的樣品形貌測量

2. 將XY和Z掃描器分離，實現探針與樣品間的真正非接觸，避免形貌掃描過程中因探針磨損帶來的圖像失真。

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樣品。