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福建物構所高居里溫度“光鐵電半導體”獲得進展

圖：分子設計獲得高居里溫度“光鐵電體” 

光鐵電體是光生載流子與鐵電極化相互耦合表現(xiàn)出優(yōu)異光電性能的一類鐵電材料，在下一代光電器件中具有重要的應用前景。光鐵電體展現(xiàn)自發(fā)極化和半導體光電導特性，表現(xiàn)出豐富的物理性能，特別是光輻照下產(chǎn)生新穎的光鐵電現(xiàn)象，如鐵電光伏效應、光折變和光致形變效應等。中科院福建物構所結構化學國家重點實驗室“無機光電功能晶體材料”羅軍華研究員團隊以創(chuàng)制強光電耦合的新型光鐵電晶體材料為主要目標，成功設計制備出系列鐵電極化與半導體光生載流子耦合的雜化光鐵電體，開辟了雜化“光鐵電半導體”研究新領域；發(fā)展出新一代鐵電極化驅動的光電探測技術、高靈敏偏振探測技術及高性能高能射線探測技術。二維多層有機-無機雜化鈣鈦礦因其具有結構的易于設計性、穩(wěn)定性及良好的半導體屬性，為構造新一類二維光鐵電體材料提供了廣闊的平臺。然而，如何有效地提高二維多層光鐵電體的居里溫度，并進一步推進其器件的實際應用，是當前光鐵電體材料研究一個重要方向。

在前期的研究基礎上，團隊創(chuàng)新結構設計思路，利用精確分子工程修飾的策略，發(fā)展了具有高居里溫度的二維鈣鈦礦光鐵電體。研究結果發(fā)現(xiàn)，通過溴原子取代有機基元中的氫原子，構筑了新的二維鈣鈦礦材料不僅保持原有的極性結構，而且其鐵電相變居里溫度有了顯著提高（ΔT = 85.4 K）。進一步單晶結構與理論計算分析表明，有機基元與無機骨架之間鹵素的相互作用以及重的鹵素原子導致了鐵電相變能壘提高，從而增加了光鐵電體的居里溫度。同時，我們結合了鐵電極化的本質以及鈣鈦礦材料優(yōu)異的半導體特性，基于鈣鈦礦單晶器件，在其晶體學極軸方向獲得了明顯鐵電光伏效應。該研究工作為設計具有高居里溫度的光鐵電體提供了新思路，相關研究結果以通訊形式發(fā)表在《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc.2021, 143(20), 7593–7598），該論文的第一作者為已畢業(yè)的國科大博士生吳振躍。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c00459

福建物構所“光鐵電半導體”自驅動X射線探測取得進展

圖：單層雜化鈣鈦礦改造成雙層雜化鈣鈦礦“光鐵電半導體”實現(xiàn)自驅動X-射線探測

近年來，金屬鹵化物鈣鈦礦因其高的X射線吸收系數(shù)、大的μτ乘積（μ為載流子遷移率，τ為載流子壽命）、良好的抗輻射損傷能力以及易于加工等特點在X射線探測領域受到了廣泛關注。但是迄今為止，高靈敏的無源X射線探測器的研究還鮮有報道。鐵電半導體由于其自發(fā)極化誘導的體光伏效應能夠自發(fā)分離光生電子-空穴，在高靈敏的無源X射線探測方面展現(xiàn)了巨大的潛力。

光鐵電體是光生載流子與鐵電極化相互耦合表現(xiàn)出優(yōu)異光電性能的一類鐵電材料，在下一代光電器件中具有重要的應用前景。光鐵電體展現(xiàn)自發(fā)極化和半導體光電導特性，表現(xiàn)出豐富的物理性能，特別是光輻照下產(chǎn)生新穎的光鐵電現(xiàn)象，如鐵電光伏效應、光折變和光致形變效應等。中科院福建物構所結構化學國家重點實驗室“無機光電功能晶體材料”羅軍華研究員團隊以創(chuàng)制強光電耦合的新型光鐵電晶體材料為主要目標，成功設計制備出系列鐵電極化與半導體光生載流子耦合的雜化光鐵電體，開辟了雜化“光鐵電半導體”研究新領域；發(fā)展出新一代鐵電極化驅動的光電探測技術、高靈敏偏振探測技術及高性能高能射線探測技術。在前期工作基礎上，以典型的二維單層雜化鈣鈦為模板，引入無機Cs⁺離子，通過維度重構獲得一例二維多層鐵電半導體化合物。研究表明，二維多層結構增強了材料的量子阱厚度，有效提升了材料的電子電導率及載流子遷移率；同時在X射線輻照下，鐵電極化所誘導的體光伏效應（~0.5 V）促進光生電子-空穴的自發(fā)分離，零偏壓下實現(xiàn)了高靈敏的無源自驅動X射線探測，其靈敏度高達~410 μC Gy-1 cm-2。該工作為設計無源高能射線光電探測材料提供了新的研究思路，相關研究結果發(fā)表在《德國應用化學》 (Angew. Chem. Int. Ed., 2021, 60(38), 20970-20976)，姬成敏副研究員為該論文的第一作者。

論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202108145

福建物構所手性鈣鈦礦半導體實現(xiàn)可見-近紅外雙模圓偏振探測

圖：手性層狀雜化鈣鈦礦半導體實現(xiàn)可見/近紅外雙模圓偏振直接探測

圓偏振探測在藥物篩選、遙感、量子計算、自旋光電子信息和通訊等領域有著廣闊的應用前景。其中，基于手性材料的圓偏振直接探測因在器件小型化和集成化方面的優(yōu)勢受到了研究者們的廣泛專注。層狀雜化鈣鈦礦材料由于其結構可設計性強，易于引入手性基元獲得其圓二色性，制備出半導體特性優(yōu)異的層狀手性雜化鈣鈦礦材料應用于圓偏振直接探測。然而，目前圓偏振直接探測主要集中在單模式探測，而有利于提高器件靈敏度和夜視性能的可見-近紫外雙模探測仍然有待探索。

中科院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室“無機光電功能晶體材料”羅軍華研究員團隊利用雙光子吸收效應，通過手性二維鈣鈦礦單晶實現(xiàn)了可見-近紅外雙模圓偏振直接探測。與福建物構所陳學元研究員團隊合作實驗發(fā)現(xiàn)，得益于層狀材料較強的光-物質相互作用，該化合物的雙光子系數(shù)高達55 cm/MW，遠高于大部分無機材料。值得注意的是，該化合物在可見光（520 nm）和近紅外光（800 nm）下均表現(xiàn)出較好的圓偏振直接探測性能，其光電流開關比大于10³，光電流的不對稱度大于0.1。該項工作拓展了手性鈣鈦礦的應用范圍，并為具有大雙光子系數(shù)的手性鈣鈦礦的設計合成提供了思路。相關研究結果以通訊形式發(fā)表在《美國化學會志》(J. Am. Chem. Soc.2021,143(35), 14077-14082），該論文第一作者為已畢業(yè)的上海科技大學聯(lián)培博士生彭玉。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07183。

福建物構所無機深紫外非線性倍頻開關晶體材料獲得進展

圖：無機深紫外非線性倍頻開關

非線性光學（NLO）倍頻開關材料，指的是NLO倍頻響應在不同的外部刺激下發(fā)生可逆轉換的一類材料，由于其在光電器件中的潛在應用，在光學開關、傳感器、數(shù)據(jù)存儲、智能器件和信息加密等高精尖技術領域有廣闊的應用前景。但是，目前的NLO倍頻開關材料主要集中在有機物和有機-無機雜化化合物中，其帶隙值往往較窄，目前還沒有深紫外NLO倍頻開關材料的相關報道。

中科院福建物構所結構化學國家重點實驗室“無機光電功能晶體材料”羅軍華研究員團隊發(fā)現(xiàn)了一例新型深紫外無機倍頻材料無機硫酸鹽Li₉Na₃Rb₂(SO₄)₇。熱分析測試表明，該化合物在783 K左右會發(fā)生熱致可逆相變；變溫NLO測試表明，該化合物在相變前后具有可逆的NLO倍頻開關響應，并且表現(xiàn)出大的NLO倍頻開關比。同時，線性光學測試表明該化合物具有寬的的帶隙，大于6.7 eV，表明該化合物能夠應用于190 nm以下的深紫外波段。團隊與桂林理工大學的匡小軍教授合作，收集了該化合物在不同溫度下的原位中子衍射圖譜，并解析了該化合物的高溫結構。結構分析表明，該化合物的NLO開關響應是由局部NLO活性基元(SO₄)^2-發(fā)生平移和旋轉導致的。這項工作進一步擴寬了NLO倍頻開關材料的可應用波段，為研究深紫外NLO倍頻開關材料提供了新的機遇，相關研究結果發(fā)表在中國化學會旗艦期刊CCS Chemistry（CCS Chem.,2021, 3(7), 2298-2306），該論文的第一作者為國科大博士生李雁強。

論文鏈接：https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000436