铁酸铋基铁电薄膜的制备工艺及可反向光伏效应研究

【摘要】：铁酸铋（BiFeO3，BFO）是目前发现的唯一一种在室温下同时拥有铁电性与反铁磁性的多铁材料，其多铁性在存储器，调制器，传感器、集成光学以及驱动器等领域有着广泛的应用前景。同时，作为一种半导体铁电材料，BFO具有比其他铁电材料更窄的光学带隙，这使得铁酸铋在可见光范围内比其他铁电材料可能具有更广阔的应用潜力，因而铁酸铋基铁电薄膜材料的光伏特性研究及其同铁电性能的耦合是当前研究的热点问题，这些研究对于新型光电子、光伏材料的开发与应用具有重要的科学价值与研究意义。 本文使用溶胶-凝胶法在FTO导电玻璃上制备一系列铁酸铋基的多晶薄膜，通过固溶组合，掺杂改性以及引入异质层等手段，探索了提高铁酸铋基多晶薄膜光伏特性的方法及其形成机理。本文主要工作和研究成果如下： (1)利用溶胶凝胶法在FTO基板上成功制备了纯相的BiFeO3-(Na0.5Bi0.5)TiO3(BFO-NBT)固溶体多晶薄膜，薄膜有平整致密的表面，裂纹及缝隙较少，晶粒大小非常均匀，晶粒直径约为100nm；NBT的引入抑制了杂相的形成并且提高了（100）结晶取向；随着NBT掺入量的增加，薄膜的光学带隙大小略有增加，与之对应的薄膜的最高转换效率不断减小，光伏性能不断恶化，其中BFO薄膜的开路电压Voc=0.32V，短路电流密度Jsc=11.6μA/cm2；另外，极化对纯BFO样品的光伏性能以及二极管特性影响不大。 (2)利用溶胶凝胶法在FTO基板上制备了Sr掺杂的BiFeO3多晶薄膜（BSFO），此薄膜在32°左右位置发生了轻微的（104）和（110）的分峰，表明掺杂使得薄膜中有菱方钙钛矿结构出现；薄膜表面具有较好的表面质量，其2μm2μm尺度范围内的均方根表面粗糙度(RMS)约为7nm，晶粒大小比较均匀，晶粒尺寸约为60nm；Sr掺杂对BFO多晶薄膜的光学带隙影响不大，但掺杂后的薄膜光伏效应明显提高，开路电压和短路电流分别达到Voc=0.4V，Jsc=37μA/cm2，其最高光电转换效率约为掺杂前的4倍；掺杂后的薄膜具有受外场影响的可反向但不稳定的光伏效应以及二极管效应，结合PFM实验结果，我们首次对BFO多晶薄膜的光伏效应及其可反向特性机理进行了详细阐述：我们认为薄膜的自极化、氧空位以及其与电极接触形成的肖特基势垒这三者共同决定了其光伏效应及可反向的特性。 (3)利用溶胶凝胶方法在FTO基板上制备了(Na0.5Bi0.5)0.94Ba0.06TiO3/BiFeO3异质结构的多晶薄膜，通过XRD图谱发现异质结构中的薄膜仍具有纯相钙钛矿结构；薄膜表面良好，2μm2μm尺度范围内的均方根表面粗糙度RMS为5.4nm左右，晶粒分布均匀，尺寸大小约100nm；用Tauc公式对薄膜的光学透过率进行拟合，可以推算出其光学带隙Eg约为2.76eV，表明NBT-BT缓冲异质层的引入对带隙影响不大。对比起未引入NBT-BT异质层的样品，Au/BFO/NBT-BT/FTO异质结构的开路电压以及短路电流都有了明显的提升，分别达到Voc=0.5V，Jsc=18.9μA/cm2。我们对这种异质结构的光伏效应机理进行了定性的分析，并通过对变温J-V曲线的拟合，推算了其势垒的大小；采用ITO上电极时，结构的开路电压，短路电流分别可以达到Voc=0.71V，Jsc=45μA/cm2，光电转换效率可以提高到使用Au上电极时的3.4倍。 【关键词】：铁酸铋薄膜 可反向光伏 二极管效应 溶胶-凝胶 异质结
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 引言13
• 1.2 铁酸铋薄膜的结构13-15
• 1.3 铁酸铋薄膜的性能15-20
• 1.3.1 铁电性能15-16
• 1.3.2 铁磁性能16-17
• 1.3.3 介电性能17-18
• 1.3.4 漏电特性18-19
• 1.3.5 光伏效应19-20
• 1.4 铁酸铋薄膜的制备工艺20-24
• 1.4.1 溅射法20
• 1.4.2 脉冲激光沉积20-21
• 1.4.3 化学气相沉积法21
• 1.4.4 溶胶凝胶法21-24
• 1.5 本论文工作的内容24-25
• 参考文献25-29
• 第二章 铁酸铋-钛酸铋钠铁电薄膜的制备与表征29-47
• 2.1 引言29-30
• 2.2 溶胶-凝胶法制备 BFO-NBT 铁电薄膜工艺30-32
• 2.2.1 前驱体溶液的配制30-31
• 2.2.2 薄膜的沉积31-32
• 2.2.3 Au 上电极的制备32
• 2.3 X 射线衍射表征32-36
• 2.3.1 X 射线衍射32-33
• 2.3.2 X 射线衍射表征铁酸铋-钛酸铋钠薄膜33-36
• 2.4 扫描电镜（SEM）表征36-37
• 2.4.1 扫描电镜原理36
• 2.4.2 SEM 表征铁酸铋-钛酸铋钠表面形貌36-37
• 2.5 铁酸铋-钛酸铋钠的光学透过特性37-39
• 2.5.1 紫外-可见光光谱37
• 2.5.2 光学透过率曲线37-38
• 2.5.3 光学带隙的计算38-39
• 2.6 铁酸铋-钛酸铋钠薄膜的光伏性能39-43
• 2.7 本章小结43-44
• 参考文献44-47
• 第三章 锶掺杂铁酸铋多晶薄膜的可反向光伏效应研究47-69
• 3.1 引言47-49
• 3.2 Sr 铁酸铋铁电多晶薄膜的制备49-51
• 3.2.1 前驱体溶液的配制49-50
• 3.2.2 薄膜的沉积50-51
• 3.2.3 Au 上电极的制备51
• 3.3 X 射线衍射表征51-52
• 3.4 原子力显微镜（AFM）表征52-55
• 3.4.1 原子力显微镜（AFM）原理52-53
• 3.4.2 原子力显微镜（AFM）铁酸铋表面形貌53-55
• 3.5 透射电子（TEM）显微镜表征55-56
• 3.5.1 透射电镜原理55
• 3.5.2 透射电子（TEM）显微镜表征铁酸铋薄膜截面55-56
• 3.6 铁酸铋的光学透过特性56-58
• 3.7 铁酸铋薄膜的二极管效应及可反向光伏效应58-66
• 3.7.1 测试方法58
• 3.7.2 结果讨论58-66
• 3.8 本章小结66
• 参考文献66-69
• 第四章 钛酸铋钠-钛酸钡/铁酸铋异质结构薄膜的光伏效应研究69-84
• 4.1 引言69-70
• 4.2 溶胶凝胶法制备 NBT-BT/BFO 薄膜的工艺70-71
• 4.2.1 前驱体溶液的配制70-71
• 4.2.2 薄膜的沉积71
• 4.2.3 不同上电极的制备71
• 4.3 NBT-BT/BFO 薄膜的 XRD 表征71-72
• 4.4 原子力显微镜（AFM）NBT-BT/BFO 薄膜的表面形貌72-74
• 4.5 透射电子（TEM）显微镜表征 NBT-BT/BFO 薄膜截面74-75
• 4.6 NBT-BT/BFO 薄膜的光学性能75-77
• 4.7 Au/BFO/NBT-BT/FTO 异质结构的光伏性能77-79
• 4.8 Au/BFO/NBT-BT/FTO 结构的变温 I-V 曲线79-80
• 4.9 不同电极时 NBT-BT/BFO 多层薄膜的光伏效应80-81
• 4.10 本章小结81-82
• 参考文献82-84
• 第五章 总结与展望84-87
• 5.1 工作总结84-86
• 5.1.1 铁酸铋-钛酸铋钠固溶体铁电薄膜的制备与表征84
• 5.1.2 Sr 掺杂铁酸铋多晶薄膜的可反向光伏效应研究84-85
• 5.1.3 钛酸铋钠-钛酸钡/铁酸铋异质结构薄膜的光伏效应研究85-86
• 5.2 展望86-87
• 致谢87-88
• 硕士期间发表的论文88

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