客户成果 ｜ 杭州电子科技大学《Nature Communications》：铁基磁性半导体中巨体积光伏效应
发布时间：
2026-07-02
近日，杭州电子科技大学胡亮、张雪峰教授团队在磁性半导体光电转换领域取得重要成果。该究IX"Giant bulk photovoltaic effect in an iron-basedmagnetic semiconductor"为题，发表于国际知名期刊《Nature Communications》。致真精密仪器KMPL-L激光克尔显微镜为本项研究的核心磁性表征环节提供关键支撑，保障实验数据精准可靠。
▲《Nature communications》期刊论文截图。
将高效体光伏(BPV)效应转换与室温铁磁序相融合，是磁性光电材料领域的核心挑战。强磁有序往往伴随金属态电子结构，而高效光电转换则需半导体态，两者难以兼顾。现有磁性半导体仍面临光电效率低、居里温度低等瓶颈。体光伏效应因在带隙外具有宽光谱响应、无需p-n结即可实现光生载流子自发分离等特点备受关注，但实现大BPV响应始终极具挑战。
本研究以层状金属Fe3GaTe2(FGaT)为模型体系，创新性地采用氧等离子体注入技术，成功在单一相中实现了BPV响应、半导体特性与室温铁磁序三者的共存。
核心实验成果
1.对称性破缺诱导巨BPV效应 - 层内氧注入破坏FGaT的倒置对称性，形成非中心对称极性结构，产生自发的宽光谱光电流。实验测得短路电流密度高达~30Acm-2，BPV系数高达0.25V-1，实现了铁基磁性体系中最强的体光伏响应。
2.金属-半导体转变与带隙打开 - 氧注入诱导巡游Fed电子局域化，使材料从金属态转变为p型半导体态。通过光学测量、电学测试及理论建模相互验证，明确了氧相关受主在近费米能级处耗尽巡游d电子的机制。
3.室温铁磁序保持 - 氧注入贡献了新的间接超交换路径(Fe-O-Fe)，同时未完全抑制原始磁相互作用，使得材料在室温以上(Tc≈300-330K)仍保持稳定的铁磁态。
4.磁编程光电器件与图像恢复 - 光电流可通过低磁场线性编程调控。利用校准后的器件响应，团队成功演示了磁可编程的特征分离与图像恢复功能，识别准确率达92.3%。
▲《Nature communications》期刊论文截图。
本研究在宽温区与变磁场条件下完成了磁化调控、磁输运特性测试及磁光响应表征等多项高精度实验。致真精密仪器KMPL-L激光克尔显微镜为磁性表征提供了关键支撑。
KMPL-L激光克尔显微镜针对铁磁材料磁序弱、样品尺寸小、矫顽场高等特性开发，具有磁性探测精度高、微区定点测量和光斑位置定位等优势。借助该设备，团队在宽温区与变磁场条件下精准测定了氧等离子体注入前后FGaT材料的磁滞回线、居里温度及磁化强度演化规律，证实氧注入后材料的居里温度稳定提升至300-330K，直接验证了氧引入的Fe-O-Fe间接超交换路径对磁有序的有效维持。
此外，KMPL-L还支撑了磁场编程光电流调控实验的高精度磁化方向检测，团队利用其高灵敏度磁光信号采集能力，在低磁场条件下实现了对光电流的线性编程调控。
结合理论计算，团队进一步揭示了氧注入在FGaT晶格中的微观作用机制:氧相关原子位移导致面内旋转对称性降低(D3h一C2v)，产生自发电偶极矩;氧相关的交换路径则维持了铁磁序的稳定性。这一"氧工程"策略实现了金属性→半导体性→磁性相的协调统一，为多功能磁性光电集成器件的研发提供了全新的材料平台。
此项成果将巨体光伏效应与室温铁磁序成功结合，打破了金属磁性材料难以实现高效光电转换的传统认知局限，为自供电、可重构磁性光电子学器件奠定了重要基础。而致真精密仪器KMPL-L激光克尔显微镜在本项研究中的应用，也再次印证了国产精密仪器在前沿研究中已具备支撑国际一流科研成果的能力。
资料来源: 论文 《Giant bulk photovoltaic effect in an iron-basedmagnetic semiconductor》 (Naturecommunications, DOI: 10.1038/s41467-026-74473-3)
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