Bandgap engineering of BZT-BCT by Mn doping and the emerging strong photo-pyroelectric effect

热电性 材料科学 铁电性 带隙 光电子学 光探测 光电效应 极化(电化学) 光热治疗 纳米技术 电介质 光电探测器 化学 物理化学
作者
Lu Wang,Faqiang Zhang,Chen Chen,Xiyun He,Muzaffar Ahmad Boda,Kui Yao,Zhiguo Yi
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:119: 109081-109081
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2023.109081
摘要

Developing narrow bandgap ferroelectrics with a sizable polarization presents great potential toward photoelectric applications. Unfortunately, most ferroelectrics exhibit wide bandgaps, while lowering their bandgaps constantly accompanies the serious deterioration of ferroelectricity. By utilizing the Jahn-Teller (J-T) effect of Mn ion, here we report an exception of lead-free ferroelectric 0.5Ba(Zr0.2-xTi0.8Mnx)-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3 ceramics showing narrow bandgaps and large polarizations. Especially for the composition x = 0.12, a low bandgap of 1.2 eV with a high residual polarization 9.9 µC/cm2 is achieved. Further investigations indicate that it has negligible photovoltaic effect due to the high density of point defects, but a significant improvement in near-infrared (NIR) light induced pyroelectric response, driven by the simultaneously increased photothermal conversion ability and room temperature pyroelectric coefficient. The pyroelectric device as demonstrated shows excellent linear dependence on the NIR light intensity with current and voltage sensitivities of 0.169 nA/(mW/cm2) and 0.052 V/(mW/cm2), respectively. Furthermore, the device possesses substantial pyroelectric response to the infrared irradiation from human body and excellent anti-interference ability. This study not only find an excellent lead-free ferroelectric composition for human body recognition, but also provide a new strategy of materials design for light energy harvesting and photodetection.
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