BiFeO_3薄膜结构的制备及光伏效应的研究

【摘要】：BaTiO_3(BTO),Pb(Zr Ti)O3(PZT)等都是常见的铁电材料,它们都有铁电光伏效应。因为它们的禁带宽度比较大,光电转换效率通常比较低。近年来一种新的铁电材料Bi Fe O3(BFO)引起了广泛关注。BFO是一种居里温度Tc=1110 K,尼尔温度TN=650 K的具有反铁磁性的铁电材料。BFO具有简单钙钛矿结构,其中氧八面体绕体对角线轴转动一定的角度,形成一种偏离理想钙钛矿结构的斜方结构。相对于单晶块体和外延薄膜材料,多晶的BFO薄膜由于制备工艺简单,成本价格比较低等因素在光探测器、光传感器、光调制器及光电转换器件等应用方面具有明显优势和潜在前景。本文研究了溶胶-凝胶法制备的BFO薄膜的特性,并对其进行了A位的替代改性,并对得到的BFO薄膜在室温下的铁电性,紫外特性,光伏特性进行了研究。本文主要研究了以下几个方面的问题:(1)使用溶胶-凝胶方法在FTO/glass衬底成功制备了退火温度在450°C到600°C的纯相的BFO多孔薄膜,得到的薄膜在(100)方向上高度择优取向,450°C,500°C,550°C,600°C退火下的薄膜孔径分别为2μm,2μm,6μm和1μm,通过紫外可见光吸收结果得到他们的禁带宽度分别为2.31 e V,2.50 e V,2.51 e V和2.62 e V,这个结果比通常报道的禁带宽度值要低。其中450°C和500°C退火的薄膜具有较高的光电导效应,在600°C退火的纯相BFO薄膜具有较强的铁电光伏效应。(2)使用溶胶-凝胶方法在FTO/glass衬底上制备出了Na替代BFO薄膜。XRD测试结果表明经过20%Na替代后,薄膜依旧呈随机取向R3c钙钛矿结构。紫外可见光吸收结果表明薄膜在450 nm附近表现出较强的吸收。Na替代比例为0%,5%,10%,20%薄膜的帯隙宽度对应分别为2.59 e V,2.63 e V,2.62 e V和2.52e V,其中20%Na替代的薄膜帯隙有所减小。20%Na替代的BFO薄膜的光伏效应表现出较大的增强。20%Na替代的BFO薄膜的短路电流密度为1.224μA/cm2,开路电压为-0.65 V。(3)使用溶胶-凝胶法在FTO/glass衬底上制备了K替代的BFO薄膜,XRD结果表明该膜是随机取向的。紫外-可见光吸收结果表明该膜在500 nm附近有强烈的吸收情况。K替代量为0%,5%,10%和20%的薄膜带隙分别是2.52 e V,2.59 e V,2.64 e V和2.62 e V。在20%的K替代的BFO薄膜中观察到大的体光伏效应,而且光伏效应显著增强。短路电流密度为1.32μA/cm 2,开路电压为-0.45V。当加在薄膜两端的电压大于内部的矫顽场时,开路电压的方向会发生变化。 【关键词】：BiFeO_3 铁电材料 禁带宽度 光伏效应 溶胶-凝胶
【学位授予单位】：湖北师范学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O484.1

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