華東師范大學&賓夕法尼亞大學Phys. Rev. Lett.:聲子對鐵電半導體GeTe中體光伏效應的影響
【引言】
鐵電材料是指在居里溫度以下具有鐵電自發極化的功能材料。當鐵電材料吸收太陽光時,鐵電極化可自發的分離光激發下產生的電子空穴對,這種鐵電體材料具有的光伏效應與傳統的基于p-n結具有完全不同的物理機制,使得鐵電材料有望成為新型的太陽能光伏材料。然而已知的絕大多數鐵電材料是鈣鈦礦氧化物,它們是寬帶隙的絕緣體,無法有效地吸收太陽光中的可見光,因此表現出極低的光電轉換效率。因此,為了提高鐵電材料的光電轉換效率,半導體特性的鐵電材料成為鐵電光伏的研究重點和機遇。鐵電半導體GeTe由于其巨大的體Rashba自旋軌道耦合而引起了新的研究關注,鐵電性、半導體性、自旋軌道耦合共存使GeTe在多個領域都具有重要的應用前景。
【成果簡介】
近日,華東師范大學龔士靜副研究員(第一作者),賓夕法尼亞大學鄭帆博士(第二作者),與賓夕法尼亞大學Andrew M. Rappe教授(通訊作者)在國際知名期刊Phys. Rev. Lett.上發表題為“Phonon Influence on Bulk Photovoltaic Effect in the Ferroelectric Semiconductor GeTe”的研究論文,文中采用第一性原理計算研究鐵電半導體GeTe中的體光伏效應,由于其固有的窄帶隙和高共價性,因此GeTe具有巨大的體光伏效應。研究人員探索了聲子振動對體光伏效應的影響,利用數值擬合揭示了聲子振動和SHC響應之間的定量關系。此外,研究人員通過平均布里淵區的聲子振動影響揭示了體光伏效應與溫度的關系,為相關實驗研究提供了理論指導和深入理解。
【圖文導讀】
圖一 GeTe的晶胞和帶結構
(a)GeTe的菱形單位晶胞(綠色虛線)和第一個布里淵區(黑色實線),沿著z ?方向是鐵電極化方向
(b)鐵電材料GeTe的帶結構,L點是導帶最小值,Z點是價帶最大值
圖二 聲子振動的三種形態
(a)(b)分別表示原胞中聲子振動的方向是沿著x ?方向和z ?方向
(c)表示在2×2×2超晶胞中反鐵電振動模式
圖三 GeTe中不同振動頻率對SHC響應的影響
(a)GeTe的SHC響應與光子能量的關系,以及其對鐵電振動振幅的依賴性
(b)SHC響應的變化與振動振幅的關系,其中光子能量分別是?ω=0.9和1.1 eV,(b)中的正方形和三角形都是第一性原理的結果,黑線和紅線是多項式C1(ω)λ+C2(ω)λ2的擬合曲線
圖四 垂直聲子振動對SHC響應的影響
(a)SHC響應與光子能量的關系,其依賴于垂直聲子振幅
(b)SHC響應的變化與振幅λ的關系,其中光子能量?ω=1.0和1.2 eV,(b)中的正方形和圓形都是第一性原理的結果,藍線和紅線是多項式C2(ω)λ2的擬合曲線
圖五 反鐵磁性聲子振動對SHC響應的影響
(a)SHC響應與光子能量的關系,其依賴于反鐵磁性聲子振幅
(b)SHC響應的變化與振幅λ的關系,其中光子能量?ω=0.9和1.1 eV,(b)中的正方形和圓形都是第一性原理的結果,黑線和紅線是多項式C2(ω)λ2的擬合曲線
圖六 不同溫度下的SHC響應
(a)表示不同溫度下SHC響應與聲子能量的關系
(b)SHC響應與溫度的依賴性,其中光子能量?ω=0.8、0.9、1.0和1.1 eV
【小結】
這篇文章研究了鐵電半導體GeTe中的SHC響應,并發現GeTe的SHC響應大約是BiFeO3的5倍。通過具有代表性的振動模式,包括在Γ點的聲子振動和在有限聲子波矢量的反鐵電模式,研究人員探索了聲子對SHC響應的影響。該研究揭示了體光伏效應與溫度的關系,為相關實驗研究提供了理論預言和指導,研究結果能擴展到其他非中心對稱材料。
文獻連接:Phonon Influence on Bulk Photovoltaic Effect in the Ferroelectric Semiconductor GeTe (Physical Review Letters, 2018, DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.017402)
本文由材料人編輯部計算材料組杜成江編譯供稿,材料牛整理編輯,感謝華東師范大學龔士靜老師對本文的指導修改。
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