研究背景
光电能量转换是凝聚态物理学中一个至关重要的研究领域。由于电磁场中电场的交替性质，仅依赖线性效应无法在单一材料中产生直流电。为通过光激发在单一材料中诱导直流电，必须考虑非线性效应或高阶相互作用。例如，体光伏效应（PGE）是一种二阶扰动的非线性光电效应，能够在缺乏空间反演对称性的内在材料中诱导直流电流。PGE 探测器不但能够吸收能量低于半导体带隙的光子并产生远高于半导体带隙的开路电压，且光电流探测器不需要构建异质结，减少了生产成本和工艺复杂性。基于PGE制成的光电探测器被认为是下一代纳米光电设备的有前途的候选者。
铁电材料因其缺乏空间反演对称性和铁电可调性而成为先进光电流探测器的理想候选者。最近在二维范德瓦尔斯铁电类黑磷铋（BP-Bi）中实验性观察到了单元素铁电态，其铁电性的起源是由于 Bi 原子的非对称构型，这种构型是由晶格固有的非对称折叠引起的。与大多数具有大带隙的内在铁电材料相比，显示出其独特的性质。这些新颖和独特的特性使得BP-Bi成为极具研究价值的铁电材料。
研究内容
近日，湖北民族大学李强副教授、北京大学吕劲教授及方世博博士等，基于单元素二维铁电材料 BP-Bi 设计了一种光电探测器，利用 QuantumATK 进行了第一性原理计算。该材料的光电探测的光电流具有明显的各向异性（Armchair 方向的最大光电流能达 133 mA/W，而 Zigzag 方向的最大光电流仅为 4.7 mA/W）。
图1 （a）单层 BP-Bi 沿 armchair 方向的原子结构 （b）单层 BP-Bi 光电探测器沿 armchair 和 zigzag 方向光电响应随能量变化曲线 （c）单层 BP-Bi 光电探测器与其他单层材料的 p-n 结的最大光电响应对比图
结论
本研究展示了基于单元素二维铁电材料 BP-Bi 的光电探测器的设计与性能评估，强调了其在光电能量转换领域的重要性。通过第一性原理计算，我们发现 BP-Bi 的光电流效应具有显著的各向异性，尤其在Armchair 方向展现出高达 133 mA/W 的光电流，这表明其在光电探测应用中的巨大潜力。这一成果不仅为光电流探测器的开发提供了新思路，也为铁电材料在纳米光电设备中的应用奠定了基础。BP-Bi 的低带隙特性和优异的光电性能，使其成为未来光电探测器研究的有前景材料，预示着在光电能量转换领域可能的技术突破与应用前景。
参考文献
- Photodetector Based on Elemental Ferroelectric Black Phosphorus-like Bismuth, ACS Applied Materials & Interfaces 2024, 16, 63786−63794. DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.4c14392