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ffdfdfdsff La ferrita de bismuto BiFeO3 (BFO) es un ejemplo único de un multiferroico intrínseco que muestra simultáneamente propiedades magnéticas (antiferromagnéticas), ferroelásticas y ferroeléctricas a temperatura ambiente. Debido a su gran polarización y su posible acoplamiento con el momento magnético, el BFO es uno de los materiales multiferroicos más estudiados en los últimos años. Recientemente, las propiedades fotoeléctricas de BFO han generado mucho interés principalmente debido a su bajo intervalo de banda favorable de solo 2,7 eV, que, a diferencia de otros ferroeléctricos conocidos como LiNbO3, BaTiO3 o Pb (Zr, Ti) O3, está en el rango visible. Los voltajes fotoexcitados anormalmente grandes que exceden varias veces el intervalo de banda se han informado recientemente en películas delgadas de BFO. Este efecto, incluido el efecto fotogalvánico, hace que el BFO sea atractivo para aplicaciones en dispositivos fotovoltaicos o fotocatalíticos. Sin embargo, una limitación importante en el uso de estos efectos fotoeléctricos en aplicaciones reales es la extremadamente baja eficiencia de conversión de energía, que está en el rango de 10-4 o menos. Aquí investigamos el efecto fotovoltaico anómalo en monocristales de BFO mediante el uso de microscopía de fuerza atómica fotoeléctrica (PhAFM) combinada con microscopía de fuerza piezorrespuesta (PFM). Aquí mostramos que los portadores fotoexcitados sin equilibrio se generan uniformemente sobre todo el cristal y no se recombinan masivamente dentro de los dominios ferroelásticos. También mostramos, además de un análisis de alta resolución de la distribución local de fotovoltaje y fotocorriente, que la punta del microscopio de fuerza atómica (AFM) permite una recolección efectiva de portadores no equilibrados fotogenerados, mejorando así la eficiencia cuántica externa (QE) mediante Hasta siete órdenes de magnitud. Esta mejora a nanoescala abre una alternativa viable para el uso eficaz del efecto fotovoltaico anómalo en aplicaciones fotoeléctricas.

RESULTADOS Fotovoltaje a granel: Los cristales individuales de BFO que están orientados (100) se cultivaron utilizando un método similar al propuesto por Kubel y Schmid. Los detalles sobre el crecimiento y la preparación de la muestra se dan en la sección Métodos y en Métodos complementarios. En aras de la simplicidad en todo el presente documento, el índice cristalográfico pseudocúbico se utiliza para mostrar la orientación cristalográfica de los cristales de BFO y las direcciones de exploración. Las mediciones de fotovoltaje y fotocorriente a granel se registraron en estructuras similares a capacitores, así como en cristales que se pusieron en contacto lateral (ver Fig. S1 complementaria). La Figura 1a muestra la fotovoltaje en circuito abierto medida en un solo cristal de BFO orientado (110) mediante iluminación con un láser de 405 nm (hυ = 3.06 eV). La fotovoltaje en circuito abierto es ~ 13V, equivalente a un campo de ~ 2.6 kVcm-1, pero dependiendo del cristal puede variar de 6 V a más de 30 V. La densidad de fotocorriente es ~ 1µAcm-2 (Fig. 1b).

Figura 1 | Propiedades de fotovoltaje a granel de BFO. (a) Fotovoltaje medido en una estructura de condensador con un cristal de BFO orientado (110) entre dos electrodos de Pt. El recuadro muestra esquemáticamente la configuración de la medida; (b) características de voltaje de fotocorriente en la oscuridad y bajo iluminación. La iluminación se realizó mediante un láser violeta de 80 mW (λ = 405nm) a través del electrodo superior semitransparente BFO, bismuto ferrita BiFeO3.

Microscopio fotoeléctrico de fuerza atómica: Recientemente se ha propuesto que las paredes de dominio tienen un papel importante en la generación de la gran fotovoltaje en BFO. Para verificar esta función, se requiere un método que permita el mapeo de la señal fotoeléctrica con una resolución cercana al ancho de la pared del dominio, es decir, 1–2nm. Para este propósito, hemos desarrollado una medición basada en AFM del efecto fotoeléctrico local, a saber PhAFM, que es capaz de mapear las corrientes fotogeneradas con una resolución lateral en el mismo orden de magnitud que el diámetro de contacto de la punta, es decir, ~ 20nm . La configuración descrita en la Figura S2 complementaria consiste en un AFM modificado por un circuito de amplificación de corriente hecho en casa y un sistema óptico que puede iluminar la superficie de la muestra y mapear las fotocorrientes generadas. La fotoexcitación se realiza mediante un láser con una energía fotónica de 3.06 eV (λ = 405nm), que es mayor que el intervalo de banda de BFO de ~ 2.7 eV.

De esta manera, las transiciones ópticamente inducidas esperadas en BFO son del tipo banda a banda, respectivamente, desde la banda de valencia a la banda de conducción. Con la ayuda de un sistema de conmutación, se puede cambiar el AFM entre el modo PFM y el modo PhAFM, lo que permite obtener imágenes de los dominios ferroeléctricos y la distribución de la superficie de la fotocorriente de la misma área. Por lo tanto, una correlación directa entre los dominios ferroeléctricos y / o las paredes de dominio y la señal fotoeléctrica es bastante sencilla.

MÉTODOS Crecimiento de un solo cristal de BiFeO3: Los monocristales de BiFeO3 (BFO) se cultivaron utilizando un método similar al método original propuesto por Kubel y Schmid. Dependiendo de la velocidad de enfriamiento, se obtuvieron cristales dendríticos similares a las plaquetas o cristales piramidales similares a rosetas, tal como lo describen Burnett et al. Todos los cristales se pulieron en paralelo a la superficie, que en los cristales de roseta es el plano cristalográfico (100). Se obtuvieron muestras típicamente mayores de 1 x 1 mm2 de área y 50 a 300 µm de espesor. Los dominios ferroelásticos macroscópicos se visualizaron en un microscopio de luz polarizada (ver Fig. S1 complementaria). Preparación de la muestra: Las superficies de cristal de calidad óptica se obtuvieron mediante pulido, utilizando pasta de diamante de 0,25 µm. La capa de superficie dañada restante y las marcas de pulido fueron eliminadas por CMP. La CMP se realizó generalmente durante 30 minutos utilizando una solución coloidal de SiO2 (Syton) diluida con agua en una proporción de 1: 1.

Para las mediciones fotovoltaicas a granel, se obtuvieron dispositivos similares a los capacitores mediante pulverización catódica de electrodos Pt / Pd (80/20) semitransparentes (10 nm de espesor) en ambas caras. Las mediciones en el plano, así como las mediciones locales basadas en AFM, se registraron en cristales que fueron contactados lateralmente con pasta de plata, que es visible en la Figura Suplementaria S1 (c, d) en el borde del cristal.

En menos de seis años, la eficiencia de las perovskitas prácticamente ha alcanzado la del silicio. El proceso de fabricación de estos materiales se realiza en laboratorio y son muy económicas, tenemos materiales tales como: Galio, bismuto, fierro, etc. Todo esto aún continúa en proceso de investigación.

Grafito.