中国科学院上海硅酸盐研究所易志国研究员团队在兼具窄带隙、大铁电极化和高热释电系数的铁电材料研究中取得新进展。通过在 BaTiO3基铁电陶瓷中掺杂 Mn 元素，制备了 0.5Ba(Zr0.2- x Ti0.8Mn x )O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BZTM x -BCT) 铁电陶瓷。掺杂之后 BZT-BCT 带隙从 3.2 eV 降低到 1.9 eV ，而且由于 Mn 3d 轨道能级劈裂在带隙中引入了亚带隙，最低达 1.2 eV 。此外，因为 Mn3+的 Jahn-Teller 效应和 Mn3+-VO缺陷对增加了体系不对称性和限制了氧空位的移动，铁电性仍然保持在纯 BZT-BCT 的 76% 以上。光电测试表明， Mn 掺杂之后 BZT-BCT 的光伏响应和光 - 热释电响应均提升了约一个数量级，热释电响应增强更加明显。一方面，带隙窄化后，更多的载流子弛豫至导带底和价带顶，或者因为 BZTM x -BCT 中高密度的点缺陷复合，更多的热量释放，导致 BZT-BCT 光热转换能力提升；另一方面， Mn 掺杂后 BZT-BCT 的相转变温度降低以及准同型相界（ MPB ）的存在，导致热释电系数提高，两者共同作用最终促进了光热释电响应的提升。将研制的 Mn 掺杂 BZT-BCT 铁电陶瓷用于红外辐射探测，发现对人体红外信号具有优异的识别能力。
相关研究成果以“ Bandgap engineering of BZT-BCT by Mn doping and the emerging strong photo-pyroelectric effect ”为题发表在 Nano Energy （ 2023 ， DOI ： 10.1016/j.nanoen.2023.109081 ）。论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生王路，指导教师为易志国研究员。该工作获得国家自然科学基金、上海市自然科学基金和中国科学院前沿科学重点项目等资助。
链接： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109081