近期，我院肖瑞春副教授與中國科學院合肥物質科學研究院張昌錦研究員課題組及其合作者在二維滑移鐵電材料中發現了與鐵電序不完全同步的體光伏效應，這一結果豐富了人們對鐵電序和體光伏效應之間關系的理解，相關研究成果近期發表在《npjComputationalMaterials》上。

體光伏效應(Bulkphotovoltaiceffect)是一種在中心反演對稱破缺材料中存在的非線性光學整流現象。它可以把光轉換為直流電，其能量轉換效率可以超過PN結的Shockley-Queisser極限。鐵電材料是由于對稱性破缺產生自發電極化的一類材料體系，鐵電序和體光伏效應能夠同時存在。探究鐵電材料中的體光伏效應與鐵電序之間的關系成為該研究領域的前沿問題之一，對基礎研究和光電器件的設計都具有十分重要的意義。

通常認為，鐵電材料中的體光伏效應是隨著鐵電序的翻轉而反號的。在中心反演操作下，鐵電序和體光伏效應在各個方向都改變符號。因此，在BiFeO3、Pt/BiFeO3/SrRuO3、二維CuInP2Se6、MX[M=(Ge,Sn)和X=(Se,S)]等材料中，改變鐵電極化常作為操控體光伏效應光電流方向的一種手段。但是，鐵電極化是一階極矢量，而體光伏效應系數是一個秩為三的張量，它們遵循著不同的對稱性變換規則。因此，從理論上分析，鐵電材料的體光伏效應的張量元與鐵電序可能會存在不同步的情況。

圖1 滑移鐵電的示意圖。(a)+P和(b)-P鐵電序的晶體結構。(c)坐標基矢及其在(d)水平鏡面下的變化。

肖瑞春副教授及其合作者使用“抽象雙層模型”詳細地研究了二維滑移鐵電材料的對稱性和體光伏效應。二維滑移鐵電材料是由沒有鐵電極化的單層材料堆垛而成，在鐵電相變前后單層的結構基本不變，鐵電翻轉是由上下兩層通過層間滑移導致的，如圖1所示。通過歸納四種最常見的具有層間滑移情況的對稱性(如表1所示)，作者們發現在單層具有中心反演對稱性無鏡面對稱性的A/B堆垛方式(Case1b)和單層具有鏡面對稱性而無中心反演對稱性的A/A堆垛方式(Case2a)兩種情況可以產生層間滑移鐵電性和體光伏效應，并且這兩種情況下的相反的滑移鐵電態都由水平鏡面聯系在一起。目前實驗中發現的層間滑移鐵電材料WTe2、BN、MoS2均歸屬于這兩種情況。另外兩種情況(Case1a、Case2b)因具有中心反演對稱性，不具備鐵電性和體光伏效應。作者們進一步對分屬于Case2a的代表性材料雙層MoS2和Case1b的代表性材料雙層WTe2進行了第一性原理計算。計算結果顯示面內體光伏效應系數不隨著鐵電序的翻轉而翻轉，而面外體光伏效應系數隨著鐵電序的翻轉而反號，與理論預測結果吻合很好。

表1 利用“抽象雙層模型”判斷的二維滑移材料的種類和對稱性

層間滑移鐵電材料表現出不同步的體光伏效應，尤其特別的是面內體光伏效應不隨著鐵電序的翻轉而翻轉，這一結果豐富了人們對體光伏效應與鐵電序之間關系的認知。作者們提出的對滑移鐵電材料進行分類的理論和方法，可以為進一步尋找更多的滑移鐵電材料提供指導。此外，根據計算結果，作者們進一步提出可以利用面內體光伏效應對疇不敏感的特性構建大尺寸的光電器件，而利用面外體光伏效應構建可調控的光電器件，如圖2所示。

圖2 滑移鐵電材料在不同鐵電疇內的面內和面外體光伏效應（水平箭頭和豎直箭頭分別表示為面內和面外的體光伏效應的方向）

本工作是在安徽大學物科院與中國科學技術大學、中科院強磁場中心、蘇州大學相關研究人員合作下開展的。該工作得到了國家自然科學基金以及安大啟動基金的支持。