铁酸铋薄膜的合成及光伏效应研究

作     者：黄东骥 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：褚君浩;杨平雄

授予年度：2011年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：铁酸铋薄膜 溶胶-凝胶 禁带宽度 光伏电压 

摘      要：铁酸铋(BiFeO3)作为少数在室温下同时具有铁电性和反铁磁性的钙钛矿型材料之一,历来受到研究人员的广泛关注。研究表明,铁酸铋具有较好的铁电、铁磁及光电性能,在非易失性存储器,动态随机存储器,自旋电子器件,传感器等方面有着非常广泛的应用前景。同时,铁酸铋作为一种窄带隙铁电体,以铁电材料特有的自发极化特性和可见光波长内的能带间隙,克服了传统固态太阳能电池带隙电压的限制,使铁电薄膜材料可产生光伏效应,为未来高效稳定的太阳能电池,以及相应光电器件的发展,提供了一个崭新的途径。 本论文采用溶胶-凝胶法制备出了纯相的铁酸铋薄膜,并选择镧元素掺杂改进铁酸铋薄膜的光电性能。具体研究成果如下： (1)使用乙酸和乙二醇作为溶剂和稳定剂,成功配制出了铁酸铋前驱体和镧掺杂铁酸铋前驱体;分别在硅衬底,镍酸镧衬底和石英衬底上制备出了铁酸铋和镧掺杂的铁酸铋薄膜。 (2)使用X射线衍射,分别研究了不同衬底,不同退火温度,不同镧掺杂量(0-10%)铁酸铋薄膜的微结构;使用扫描电镜研究了硅和镍酸镧衬底上铁酸铋薄膜表面形貌和截面图;使用原子力显微镜研究了镧掺杂铁酸铋薄膜的三维表面形貌。 (3)使用介电、铁电相关仪器研究了纯相铁酸铋薄膜介电常数和介电损耗与外电场的关系以及铁电性能。使用椭圆偏振测试,研究了硅衬底上铁酸铋和掺镧铁酸铋薄膜的光学常数;使用透射测试,分析了拟合了石英衬底上铁酸铋和掺镧铁酸铋薄膜的透射图谱和禁带宽度。测试结果得到,铁酸铋薄膜的禁带宽度约为2.74eV。随着掺杂量增加,禁带宽度有先增后减的变化。 (4)研究了铁酸铋薄膜光伏效应原理,初步搭建铁酸铋薄膜光伏测试结构。测试了二氧化硅和镍酸镧衬底上铁酸铋薄膜在不同退火温度和不同薄膜厚度下的光伏效应。研究分析了不同镧掺杂量,测试引脚距离对开路电压的影响。测试发现,生长在镍酸镧衬底上的铁酸铋薄膜得到较大的开路电压,并且电压值随着测验引脚距离的增加而增加。La掺杂在一定程度上提高了薄膜的开路电压。