氧化锌压电材料由于无毒且环保，在触觉传感、柔性电子等领域受到广泛的关注，但ZnO的天然电位屏蔽效应严重削弱了其压电系数，限制了其商业应用。已有研究中掺杂是一种高度优选的原子尺度改性策略，其中，稀土离子掺杂ZnO表现出更优异的压电系数。然而，稀土掺杂对ZnO的压电屏蔽效应作用机制仍然不明晰，极大限制了ZnO压电性能的优化空间。

针对此问题，西南交通大学邓维礼副教授和杨维清教授团队报告了一种通过稀土离子掺杂在原子尺度上抑制压电屏蔽效应来提高 ZnO 压电性的通用方法。结合开尔文探针力显微镜(KPFM)的功函数和压电响应力显微镜(PFM)的压电响应分布，这项工作揭示了稀土离子掺杂策略能够通过抑制压电屏蔽效应，从而大大增强压电性。总的来说，这项工作为压电增强和应用压电开辟了新的指导思路。相关成果以“Suppressing piezoelectric screening effect at atomic scale for enhanced piezoelectricity”为题发表在《Nano Energy》上(DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.108024)。西南交通大学材料学院2021级硕士生孙悦为论文第一作者。该项工作得到了国家自然科学基金、四川省科技项目以及中央高校基础研究经费等项目的支持。

图1. 掺杂与压电屏蔽效应

一般来说，外源空穴和掺杂离子产生的部分缺陷共同提高压电输出，而本征电子和掺杂离子携带的核外电子将降低压电输出。从屏蔽效应的角度来看，掺杂对压电性的影响存在一个调节平衡点。因此，研究掺杂离子对自由载流子的影响对于通过抑制屏蔽效应来优化压电性至关重要。

图2. 未掺杂和 RE³⁺: ZnO 的微观结构和基本表征。

为了分析掺杂对载流子浓度的影响，作者选择了具有相同价态但不同核外电子的稀土离子进行掺杂。表征分析证明水热法成功制备了稀土掺杂氧化锌纳米棒薄膜材料。

图3. 稀土掺杂氧化锌的输出增强机制。

为了理清稀土掺杂对氧化锌的屏蔽效应的影响，分别从能带和载流子浓度两个方面进行了表征分析，结果表明稀土掺杂能够拓宽能带宽度，降低载流子浓度。

图4. 稀土掺杂氧化锌基器件的机电性能和 PENG 性能表征。

进一步的机电性能测试与器件性能表征与载流子浓度变化趋势吻合，由此可见，稀土掺杂能够通过降低载流子浓度，削弱屏蔽效应，从而增加压电输出。且压电性能调控受稀土离子核外电子的稳定性影响，为指导压电半导体材料的性能调控给出了普适的新思路。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108024