The photovoltaic effect in bismuth-based ferroelectric perovskite oxides

Abstract

This work explores the bulk photovoltaic (BPV) effect in bismuth-based ferroelectric perovskite oxides BiFeO₃ and Bi₂FeCrO₆. The BPV effect, a tensorial property of non-centrosymmetric crystals, is intrinsically linked to ferroelectricity, as both arise from broken inversion symmetry of the material. Through careful configuration of ferroelectric domains and systematic BPV measurements under linearly polarized light, this intrinsic connection in BiFeO₃ is demonstrated. Additionally, under circularly polarized light, the BPV effect reveals a dependence on light chirality, resulting in high open-circuit voltages. Observations of anomalous BPV behavior suggest domain-specific interactions between light and the chiral magnetic structure. Further examination of the photoelectric properties and resistive switching in Bi₂FeCrO₆ positions it as a candidate for neuromorphic computing and non-volatile memory. These findings contribute to a deeper understanding of photovoltaic ferroelectrics.

Die Arbeit untersucht den Bulk-Photovoltaik-Effekt (BPV) in bismutbasierten ferroelektrischen Perowskitoxiden, speziell BiFeO₃ und Bi₂FeCrO₆. Der BPV, eine tensorielle Eigenschaft asymmetrischer Kristalle, ist intrinsisch mit der Ferroelektrizität verbunden, da beide auf der gebrochenen Inversionssymmetrie beruhen. Durch gezielte Konfiguration ferroelektrischer Domänen und BPV-Messungen unter linear polarisiertem Licht wird die intrinsische Verbindung in BiFeO₃ demonstriert. Unter zirkular polarisiertem Licht zeigt der BPV-Effekt eine Abhängigkeit der Chiralität und führt zu hohen Photospannungen. Beobachtungen eines anomalen zirkularen BPV-Verhaltens deuten auf domänenspezifische Wechselwirkungen mit der chiralen magnetischen Struktur hin. Die Untersuchung der photoelektrischen Eigenschaften und des Widerstandsschaltens positioniert zudem Bi₂FeCrO₆ als Kandidat für zukünftige Speicheranwendungen. Die Erkenntnisse tragen zum Verständnis photovoltaischer Ferroelektrika bei.