Approaching Charge Separation Efficiency to Unity without Charge Recombination

铁电性 异质结 偶极子 材料科学 超晶格 光电流 电子 电荷(物理) 凝聚态物理 波段图 带隙 导带 物理 光电子学 电介质 量子力学
作者
Sa Zhang,Jianfeng Wang,Shizheng Wen,Ming Jiang,Haiyan Xiao,Xiang Ding,Ning Wang,Menglu Li,Xiaotao Zu,Sean Li,ChiYung Yam,Bing Huang,Liang Qiao
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:126 (17) 被引量:36
标识
DOI:10.1103/physrevlett.126.176401
摘要

Improving the efficiency of charge separation (CS) and charge transport (CT) is essential for almost all optoelectronic applications, yet its maximization remains a big challenge. Here we propose a conceptual strategy to achieve CS efficiency close to unity and simultaneously avoid charge recombination (CR) during CT in a ferroelectric polar-discontinuity (PD) superlattice structure, as demonstrated in ${({\mathrm{BaTiO}}_{3})}_{m}/{({\mathrm{BiFeO}}_{3})}_{n}$, which is fundamentally different from the existing mechanisms. The competition of interfacial dipole and ferroelectric PD induces opposite band bending in ${\mathrm{BiFeO}}_{3}$ and ${\mathrm{BaTiO}}_{3}$ sublattices. Consequently, the photoexcited electrons ($e$) and holes ($h$) in individual sublattices move forward to the opposite interfaces forming electrically isolated $e$ and $h$ channels, leading to a CS efficiency close to unity. Importantly, the spatial isolation of conduction channels in ${({\mathrm{BaTiO}}_{3})}_{m}/{({\mathrm{BiFeO}}_{3})}_{n}$ enable suppression of CR during CT, thus realizing a unique band diagram for spatially orthogonal CS and CT. Remarkably, ${({\mathrm{BaTiO}}_{3})}_{m}/{({\mathrm{BiFeO}}_{3})}_{n}$ can maintain a high photocurrent and large band gap simultaneously. Our results provide a fascinating illumination for designing artificial heterostructures toward ideal CS and CT in optoelectronic applications.
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