本研究由湘潭大学材料科学与工程学院的Jie Peng、Jie Jiang（通讯作者）、Pengfei Hou（通讯作者）、Jinbin Wang以及中国地质大学（武汉）材料与化学学院的Shuoguo Yuan共同完成。该研究成果于2024年5月29日被接收，于2024年7月14日在线发表在国际期刊《Journal of Materiomics》上。

这项研究属于铁电材料与自供能传感器（self-powered sensors）的交叉领域。研究的核心背景在于，物联网（Internet of Things, IoT）和高精度探测系统对能够独立运行、无需外部电源的微型化传感器有着迫切需求。铁电材料因其优异的极化（polarization）特性，被视为制造此类自供能传感器的理想选择。然而，传统铁电材料在微型化、高密度集成以及与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）工艺的兼容性上存在挑战。基于二氧化铪（HfO₂）的铁电薄膜因其超薄特性展现出巨大潜力，但无序的铁电畴（ferroelectric domain）分布限制了其热释电（pyroelectric）性能。因此，本研究旨在探索一种具有特定自发极化（spontaneous polarization）方向的铈掺杂二氧化铪（Ce-doped HfO₂）铁电薄膜，并系统评估其在自供能温度与光探测方面的性能，以解决当前领域面临的关键瓶颈。

该研究的工作流程可细分为材料制备、结构与性能表征、器件构建与机理分析、以及应用验证四个核心环节。 在第一环节，研究团队采用溶胶-凝胶（sol-gel）法制备了一系列不同厚度（30纳米至210纳米）的铈掺杂二氧化铪铁电薄膜。具体流程是将前驱体溶液旋涂（spin-coating）在P型硅基底上，经过干燥、热解和氮气氛围下800摄氏度的退火（annealing）处理，最后溅射铂顶电极，形成电容式器件结构。 在第二环节，研究者对这些薄膜进行了详尽的多尺度表征。首先，通过X射线多晶粉末衍射仪（X-ray diffraction, XRD）分析了薄膜的相组成，确认了在30度附近存在正交相（orthorhombic phase, Pca2₁ phase）的衍射峰，这是公认的二氧化铪薄膜铁电性来源。随着膜厚增加，衍射峰变得更尖锐，表明结晶度提高。其次，利用铁电分析仪测试了电滞回线（P-E curves）和电流密度-电场曲线（J-E curves）。结果显示，电滞回线呈现良好的矩形度，剩余极化（2Pr）值从30纳米薄膜的约13 μC/cm²增加到210纳米薄膜的约38 μC/cm²，呈现出正相关关系。值得注意的是，30纳米薄膜展现出较大的矫顽电场，暗示了其稳定的原始极化状态，且P-E曲线的不对称性来源于铁电层上下界面存在的内建电场（built-in electric field）。再次，利用原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）在纳米尺度上研究了薄膜的表面形貌和畴翻转（domain reversal）特性。结果显示所有薄膜表面均光滑致密，无裂纹。通过施加正负电压写入畴，并观察振幅和相位图像，研究者发现了一个至关重要的现象：生长态（as-grown）区域与施加负偏压写入的下极化（downward polarization）区域的相位对比度几乎完全相同，由此得出了该薄膜具有向下的自发极化的关键结论。 在第三环节，研究者基于热释电效应构建了无需外加极化过程的自供能传感器，并阐述了其工作机理。当一束808纳米激光作为热源照射薄膜表面时，光热效应使薄膜温度迅速升高（dT/dt > 0），导致电偶极子振荡加剧，自发极化强度减弱，为建立新的静电平衡，电子在外电路流动，产生一个尖锐的正瞬态电流尖峰。当激光关闭，温度下降，极化恢复，则产生一个等效的负电流尖峰。由此，该器件将热和光信号转换为了电信号。 在第四环节，研究者系统测试了该传感器的性能并验证了其应用潜力。实验结果显示，在0.32 mW/cm²至5289.49 mW/cm²的宽泛808纳米光功率强度范围内，这些薄膜均能产生良好的响应。在30纳米厚的薄膜中，获得了高达71.7 nA/cm²的光致热释电电流密度。尤为突出的是，通过测量和拟合，该薄膜能精确探测低至0.01至0.1开尔文的温度变化。计算得到的室温热释电系数（pyroelectric coefficient, p）高达894.7 μC·m⁻²·K⁻¹，这一数值是9纳米硅掺杂二氧化铪薄膜的17倍，是9.2纳米铪锆氧（Hf₀.₂Zr₀.₈O₂）薄膜的3.5倍，同时其相对介电常数（εr）低至15.6。这表明该材料在热电能量转换中具有巨大优势，其能量收集优值（energy harvesting figure of merit, Fₑ）高达5795.5 C·m⁻³·K⁻²。研究者还将自发极化的薄膜进行了人工极化处理，其热释电系数可进一步提升至约2205.9 μC·m⁻²·K⁻¹，但未极化的薄膜在长达210天后性能依然稳定，显示了其长期工作的可靠性。最后，研究者将器件置于实际应用场景下，成功检测到了吹风机冷热风（输出电压约0.7毫伏和1毫伏）以及人体呼吸（深呼吸时输出电压约5毫伏）的实时信号，证明了其在自供能热探测领域的实用性。

本研究得出了一个核心结论：具有向下生长态自发极化的铈掺杂二氧化铪铁电薄膜展现出卓越的温度和光探测性能，是制造自供能热释电传感器的理想天然材料。研究提供的有力证据表明，温度梯度（temperature gradient）能显著增强热释电效应。虽然其深层机理——尤其是温度梯度引入的应变梯度、晶格畸变及其对电偶极子、挠曲电效应（flexoelectric effect）、压电效应和热释电效应的多重影响——仍需进一步阐明，但不可否认的是，这种30纳米厚的薄膜凭借其超高的热释电系数和低介电常数，在性能上已大幅超越传统材料。

该研究的科学价值在于揭示了铈掺杂二氧化铪薄膜独特的向下自发极化特性，并成功利用温度梯度这一新维度来增强其热释电响应，为设计高性能热释电材料提供了新范式。在应用层面，该研究证明了基于二氧化铪的铁电薄膜在自供能、高精度、微型化温度与光传感器领域的巨大潜力，为未来物联网和高精度探测系统中与CMOS工艺兼容的高密度集成传感器件铺平了道路。

该研究的亮点主要体现在三个方面：第一，发现了一种关键的“天然优势”，即生长态二氧化铪薄膜具有向下的自发极化，使其无需额外的极化工艺即可直接作为优质热释电材料使用，简化了器件制备流程并可能避免由极化过程引入的长期稳定性问题。第二，提出并验证了一个核心物理机制——“温度梯度增强热释电性”，将非均匀加热引起的挠曲电、压电等多级效应与传统的热释电效应协同起来，实现了性能的大幅提升，其中30纳米薄膜的热释电系数相比同类材料提升了数倍至十余倍。第三，展示了极佳的“产学研”连接潜力，该薄膜不仅在微观性能指标上表现突出，更在宏观的风感、呼吸监测等真实生活场景中得到了成功的即时应用验证，为研究成果的转化提供了坚实支撑。