Coupling Enhancement of a Flexible BiFeO₃ Film-Based Nanogenerator for Simultaneously Scavenging Light and Vibration Energies

Xiao Han, Yun Ji, Li Wu, Yanlong Xia, Chris R. Bowen, Ya Yang*

Nano-Micro Letters (2022)14: 198

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00943-0

1. 开发新形式的耦合纳米发电机以提高性能。

2. 通过光电-挠曲电的耦合效应，将交流信号转换为直流信号，可以成功收集光和振动形式的能量。

3. 创建耦合纳米发电机的新方法，其中通过利用铁电材料实现多种收获机制。

为了有效地收集光能和振动能，我们利用振动激励器向具有LNO(底电极)/BFO(铁电薄膜)/ITO(顶电极)结构的夹持悬臂形薄膜的自由端传递振动力。图1a显示了单独或同时对BFO铁电薄膜施加光和振动时的工作状态,相应的电流信号和电荷积分数据也被示意性地展示出来。在不同的工作条件下，铁电体内部的载流子在内部电场的作用下被有效分离和传输，对外输出对应的电信号。当振动单独作用时，纳米发电机无法有效地收集电荷，因为由于振动引起的动态负载在 "0 "基线周围产生了交流电(AC)，统计积分电荷在理想情况下为零。当设备暴露在光照下时，这时入射光子被转化为可移动的载流子来有效地对外输出电荷，其中电流信号的积分对应光生电荷水平。当振动和光同时作用于器件时，耦合电流由挠曲电效应产生的附加电场与铁电极化相关的内部电场的共同作用来决定。这时更多的电子和空穴被转移，对外输出更大的耦合电流，实现了 "1+1>2 "的耦合增强和交流信号到直流信号的转变。

图1. (a)基于LNO/BFO/ITO的耦合纳米发电机的工作原理图和相应的信号示意图；(b)设备横截面的扫描电镜图像；(c)设备的光学图像，插图示意图显示设备弯曲后的情况。

II LNO/BFO/ITO器件的光电和挠曲电性能

图2. (a)器件在365 nm、450 nm和515 nm处不同光照强度照射下的输出电流；(b)光电效应诱导的器件的输出电流随光照强度的变化；(c) 设备的光电效应、光电-挠曲电效应的输出功率(4.5 mW/cm2)；(d)设备在不同振动频率下的输出的挠曲电流；(e)挠曲电效应诱导的设备的输出电流作为频率的函数；(f)与负载相关的输出电流和功率。

III 光电-挠曲电耦合效应对LNO/BFO/ITO性能的影响

器件在不同工作条件下的光电效应和挠曲电效应的相互作用被进一步研究，并且耦合效应对应的输出电流和统计电荷要明显高于单独的光电效应和挠曲电效应，实现了“1+1>2”的电荷增强，耦合状态的光电导增益实现了25%-50%的提升，进一步证明了挠曲电效应对光电效应的有效调控和增强。

图3. (a)光和振动同时作用时器件的输出电流；(b)由光电-挠曲电耦合效应诱导的器件的输出电流作为光照强度的函数；(c)器件在单独光和光和振动作用时器件的输出电流和输出功率对比(4.5 mW/cm2)；(d)器件在不同工作条件下的统计电荷比较。

IV LNO/BFO/ITO光电-挠曲电耦合效应的性能评价

图4. (a)电荷增强比E(%)作为光强度的函数；在450 nm光照射下(4.5 mW/ cm2)，设备的(b)各种信号和(e)杨耦合因子的比较；(c)电荷和(d)能量的杨耦合因子。

V LNO/BFO/ITO耦合纳米发电机的工作原理

BFO铁电薄膜的输出信号由内部极化诱导的电场Ein和挠曲电效应诱导的内置电场Eflex共同来影响，其中挠曲电信号和光电信号分别表现出交流和直流特性，为了区分，它们在不同的电路中被标记。光电-挠曲电耦合增强的性能可以从内部挠曲电效应影响BFO的能带弯曲来解释，弯曲诱导的挠曲电效应会影响极化电荷在BFO铁电薄膜内部的重新分布，界面处的势垒高度被调节，从而器件的输出性能被影响，图5a所示的代表性曲线进一步证明了耦合电流的输出信号得到明显的提高。

韩笑

本文第一作者

▍主要研究领域

铁电材料与器件。

杨亚

本文通讯作者

中国科学院北京纳米能源与系统研究所 研究员

▍主要研究领域

新能源纳米材料与器件。

▍主要研究成果

在国际著名杂志Nature Energy、Nature Electronics、Nature Communications和Science Advances等期刊上发表SCI学术论文200余篇，学术专著1部。发表论文被国际SCI期刊论文引用16000余次，H指数因子为75。授权中国专利14项。获2018年国家自然科学二等奖( 4/5)。担任 Nanoenergy Advances 主编，担 任 InfoMat、Nano-Micro Letters、SmartMat、Nanoscale、iScience、Scientific Reports、 Nanomaterials、Nanoscale Advances 和 Energies 杂志编委委员，Research、 Nanoenergy Advances、iScience、Nanomaterials 和 Energies 杂志 Guest Editor， Nature、Nature Electronics、Nature Sustainability、Nature Communications 和 Science Advances 等杂志审稿人。担任中国仪表功能材料学会电子元器件关键材料与技术专业委员会委员。主持或承担国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市杰出青年科学基金、中科院国际合作交流等项目近20项。

▍Email：yayang@binn.cas.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部