［本站讯］近日，晶体材料全国重点实验室张怀金教授、于浩海教授团队在铁电单晶光电材料领域取得重要进展，通过创新的多级序构缺陷调控策略，成功制备了黑色Ce:CSBN铁电单晶，实现了覆盖紫外、可见光、近红外至中红外的全光谱光电转换，并研制了目前响应波段最宽的自供电铁电单晶探测器件。相关研究成果以“Defect-engineered Black Tetragonal-tungsten-bronze Ferroelectric Crystal for Full Spectrum Absorption and Broadband Photoelectronic Conversion”为题，在线发表在国际期刊Nature Communications。论文第一作者为山东大学2021级博士研究生王亚倩，通讯作者为梁飞、于浩海和张怀金教授，山东大学为独立通讯单位。合作者还包括中国工程院院士、天津理工大学教授吴以成，天津理工大学刘锐锐；北京邮电大学马天赐；乌镇实验室研究员张茂华。

铁电晶体是一类具有自发极化，且自发极化方向随外加电场方向变化而变化的晶体。铁电晶体的功能基元序构调控是改变晶体物性、提升器件性能和开辟晶体新应用领域的关键。前期研究中，针对氧化物晶体绝缘性强、导电性差的问题，研究团队提出了“头对头”和“尾对尾”的畴结构分布，使晶体内部的静电势呈现周期性涨落，驱动载流子沿着特定方向运动，从而实现载流子的高效分离和收集，使其光响应度提高了四个数量级（Adv. Mater.2022, 34, 2105108）。然而，单一的畴极化调控仅能提高光电流响应度，晶体的响应范围仍限制在紫外区，难以突破。如何在保持晶体铁电性的基础上，突破晶体本征带隙导致的响应波段受限难题，一直是铁电材料领域的研究热点和难点（Nature 2013, 503, 509-512）。

黑色Ce:CSBN与其他铁电单晶材料的响应范围对比图

本工作在铁电晶体中提出了一种多级序构的缺陷调控策略，成功解决了这一瓶颈难题。以钨青铜结构的铌酸钙钡晶体Ca_xBa_1-xNb₃O₆（CBN）为研究对象，首先采用Sr²⁺和Ce³⁺双取代的设计策略，引入缺陷能级，制备了红色的Ce:CSBN单晶，不仅使其响应波段拓宽至830 nm，同时保持了强鲁棒性的铁电极化。进一步采用高温热还原技术，人为调控晶体的氧空位缺陷浓度，成功制备出首例黑色Ce:CSBN铁电单晶，实现了250 - 5000 nm全谱段的高效光吸收，并研制了首例可覆盖紫外—可见光—近红外—中红外波段的超宽带自供电光电探测器，其零偏压响应度突破1 mA/W，是目前铁电单晶探测器的最高记录之一。更为有趣的是，通过改变高温还原气氛配比，Ce:CSBN晶体可以在红色和黑色之间自由切换，从而为设计智能化、可调节的铁电单晶光学器件提供了新路径。本研究攻克了铁电晶体宽带光电转换的技术瓶颈，为开发新一代环境友好、自供电的超宽带光电探测器奠定了材料基础，在深空探测、铁电存储和医疗成像领域有重要应用前景。

上述研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、山东省自然科学基金和晶体材料全国重点实验室的大力支持。