铁电薄膜材料的光电性能研究

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铁电材料由于丰富的物理性质在多功能器件领域广阔的应用前景而备受关注。其中钙钛矿结构的铁酸铋是唯一在室温下同时具有铁电性和铁磁性的材料,但是其较大的漏电流很大程度的限制了它的应用。因其结构特点和化学特性呈现出较大的掺杂容忍度,能够在一定格位上进行离子代替来改善它的对称性、载流子浓度和光学带隙等。铁酸铋的带隙要远小于其它铁电材料,在铁电光伏领域有着巨大的应用前景。基于将来在太阳能电池方向的应用方面考虑,本文采用溶胶-凝胶技术在不同的衬底上分别制备了A位和B位掺杂的BFO薄膜。本文在A位进行稀土元素La和Nd的掺杂,成功的制备了Bi1-xLaxFeO3(x=0.00,0.05,0.10)和Bi1-xNdxFeO3(x=0.00,0.03,0.07,0.10)薄膜,同时在B位进行过渡元素Cr掺杂,成功制备了BiFe1-xCrxO3(x=0.00,0.02,0.04,0.06,0.08,0.10)薄膜。并且借助多种表征测试手段从微结构、微观形貌、光学以及电学等方面分析了其对铁酸铋薄膜的影响。主要工作成果如下:(1)成功制备出La掺杂的BFO薄膜。随着La掺杂量的增加,剩余极化值强度大大提升,薄膜的氧空位得到有效抑制,氧空位浓度减小,漏电流降低,薄膜的吸收范围扩大发生红移,光学带隙随之降低。(2)成功制备出Nd掺杂的BFO薄膜。随着Nd掺杂量的增加,薄膜的剩余极化值强度增加,矫顽场减小,薄膜的氧空位得到有效抑制,氧空位浓度减小。说明Nd3+的引入能弥补和抑制Bi3+的挥发,从而降低了氧空位浓度,使漏电流减小。从吸收光谱可以看出,带宽有变小的趋势。当Nd的含量为x=0.07时,光学带隙值达到最小值为2.11 eV。(3)成功制备出过渡金属元素Cr掺杂的BFO薄膜。随着Cr掺杂量的增加,薄膜的剩余极化值强度大大增强,矫顽场变小,漏电流密度降低,这说明Cr元素的引入能够使薄膜有效的抑制氧空位,从而使氧空位浓度降低;从吸收光谱可以看出,Cr的掺杂使BiFeO3薄膜的吸收范围扩大发生红移,说明Cr的掺杂能降低BiFeO3薄膜的光学带隙。
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