基于掺杂铁酸铋薄膜的铁电场效应和光伏效应研究

【摘要】：铁电薄膜是一类重要的功能性薄膜材料,具有优越的铁电、热释电、压电和电光效应,在微电子和光电子领域有着广泛的应用前景。多铁性材料是指具有两种或两种以上初级铁性体特征的单相化合物,目前具有这种性能的单相多铁性材料十分有限,往往在较低的温度下才能观测到磁电效应。近年来,多铁性材料的研究,开辟了材料科学与凝聚态物理中的一片新领域,提供了很多研究课题。铁酸铋作为目前唯一的一种室温多铁性材料,有着良好的的铁电性能,在非挥发存储、传感、催化和新能源等各个领域有着广泛应用前景。本文用sol-gel法制备了Pr、Mn共掺杂的铁酸铋薄膜Bi1-x%Prx%Fe0.95Mn0.05O3(BPFMOx, x=5、10、15、20、25),对薄膜的铁电场效应和光伏效应做了初步的研究。研究内容和主要结果如下： 1.研究了不同Pr含量掺杂对Pt/BPFMOx/Si结构的铁电场效应的影响。X射线衍射的结果表明掺杂的铁酸铋薄膜都有良好的结晶性,观测薄膜的表面形貌时可以清晰的看到晶粒,Pr元素的掺杂使得晶粒尺寸变小。通过对Pt/BPFMOx/Si结构的C-V曲线的测量,我们发现没有掺杂和5%Pr掺杂时C-V曲线是逆时针方向的,表明电荷注入占据主导；掺杂含量为10%、15%、20%和25%时,C-V曲线变为顺时针方向,表明此时铁电极化存储占据主导,并且在15%掺杂的时候窗口电压达到最大,为0.92V。 2.研究了氧化铝和氧化铪作为阻挡层的金属-铁电层-阻挡层-半导体结构的铁电场效应,制备了Pt/BPFMO15/Si、Pt/BPFMO15/Al2O3/Si和Pt/BPFMO15/HfO2/Si三种MFIS结构。研究表明：在氧化铝和氧化铪上生长的Pr、Mn共掺杂的铁酸铋薄膜,结晶性良好。C-V曲线的测试结果表明氧化铝作为阻挡层时窗口电压最大值为1.4V,较没有阻挡层的结果(0.96V)提高了50%。窗口大小随扫描电压的关系为先增加达到一个最大值后略微下降的变化趋势,阻挡层的增加抑制了曲线下降的幅度,表明氧化铝阻挡层可以有效的抑制电荷的注入。氧化铝作为阻挡层的结果不佳,窗口电压最大仅为0.6V,而且随着扫描电压的增加,窗口电压呈下降趋势。 3.研究了BPFMOx薄膜的光伏效应。在100mW/cm2的白光照射下测量了不同Pr掺杂薄膜的I-V曲线。结果表明：光照条件下开路电压最大值可以达到21.6mV,较其暗环境下的300μV提高了70多倍；BPFMO15薄膜测得的光电压最大,由于15%掺杂时薄膜的铁电极化最大,因此可以推断出铁电光伏效应是受极化调控的。 【关键词】：铁酸铋薄膜 共掺杂 铁电场效应晶体管 铁电光伏
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 引言9-21
• 1.1 铁电场效应晶体管概述9-12
• 1.1.1 铁电场效应晶体管的基本结构与存储原理9-10
• 1.1.2 铁电场效应晶体管的结构类型10-12
• 1.1.3 铁电场效应晶体管的前景及存在的问题12
• 1.2 铁酸铋概述12-15
• 1.2.1 铁酸铋的结构12-13
• 1.2.2 铁酸铋的铁电性13-14
• 1.2.3 铁酸铋薄膜在铁电场效应晶体管中的应用14-15
• 1.3 铁电光伏概述15-17
• 1.3.1 传统光伏效应15-16
• 1.3.2 铁电光伏效应的原理及优势16-17
• 1.3.3 铁酸铋薄膜在太阳能电池领域中的应用及挑战17
• 1.4 本论文工作的内容、目的和意义17-18
• 参考文献18-21
• 第二章 Pr、Mn共掺杂的铁酸铋薄膜的制备工艺及表征方法21-35
• 2.1 铁电薄膜的制备工艺21-22
• 2.2 溶胶-凝胶法制备Pr、Mn共掺杂的铁酸铋薄膜的工艺参数22-25
• 2.3 X射线衍射表征25-27
• 2.4 原子力显微镜表征27-29
• 2.5 电学性质表征29-32
• 2.6 本章小结32-33
• 参考文献33-35
• 第三章 几种阻挡层对MFIS结构性质影响的研究35-43
• 3.1 阻挡层的选择35
• 3.2 样品的制备35-36
• 3.3 薄膜的晶体结构36-37
• 3.4 薄膜的表面形貌37
• 3.5 电学性质分析37-40
• 3.6 本章小结40-41
• 参考文献41-43
• 第四章 Bi_(1-x%)Pr_(x%)Fe_(0.95)Mn_(0.05)O_3薄膜光伏性质的研究43-49
• 4.1 样品的制备及测量方式43
• 4.2 光伏性质的研究43-46
• 4.3 本章小结46-47
• 参考文献47-49
• 第五章 结论与展望49-50
• 硕士期间发表的论文50
• 致谢50-51

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