铁电材料因存在自发极化，可以产生独特的光伏响应，在光电探测等领域具有重要应用。柔性铁电材料更是在可穿戴器件及人机交互等领域被寄予厚望。然而，大多数柔性铁电材料具有难极化、光吸收系数低等缺点，难以产生高的光伏响应。制备有机无机铁电复合薄膜有利于在较低的极化电压下获得高极化性能，并且选择合适的填充材料还可以调控光吸收特性，这对于获得具有高光伏响应的柔性铁电薄膜具有重要意义。
近日，中国科学院上海硅酸盐研究所在柔性铁电复合薄膜光电响应提升研究中取得新进展。通过在铁电陶瓷粉体BZTM-BCT表面负载Au和Ag金属纳米颗粒，然后将其嵌入有机铁电薄膜PVDF，制备了一种柔性铁电复合薄膜PVDF/BZTM-BCT:Au/Ag，相较纯PVDF薄膜，复合薄膜具有高达93%的铁电相含量以及明显的可见光吸收。“弯曲+极化”状态下复合薄膜的光电流比纯PVDF提升达57倍。机理研究表明，该状态下，挠曲电极化与铁电极化协同促进了光生载流子的分离和传输；此外，Au和Ag金属纳米颗粒中的电子在光热激发后穿过肖特基结进入BZTM-BCT中，增加了光生载流子浓度，两者协同作用促进了光电性能的提升。器件测试表明，该复合薄膜不仅可以感知光，还可以监测与其接触物体的移动与形变，展示了在多功能光电传感器应用中的巨大潜力。相关研究成果以“Ferroelectric, flexoelectric and photothermal coupling in PVDF-based composites for flexible photoelectric sensors”为题发表在Materials Horizons (2024, DOI:10.1039/d4mh00667d)。论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生王路，指导教师易志国研究员。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。
图1 纳米Au/Ag修饰的铁电BZTM-BCT粉体的基本物理特性。
图2. 柔性铁电复合薄膜PVDF/BZTM-BCT:Au/Ag的结构和物理性能表征。
图3. 复合薄膜光电性能表征。
图4. 复合薄膜光电性能调控及机理解释。
图5. 器件的多功能特性演示。
