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铁酸铋基铁电薄膜的制备工艺及可反向光伏效应研究

铁酸铋基铁电薄膜的制备工艺及可反向光伏效应研究

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作者：郭兵上海交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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

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BiFeO3多晶薄膜激光法制备及其光伏效应研究

BiFeO3多晶薄膜激光法制备及其光伏效应研究

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作者：周勇中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

学位级别：硕士

多铁性材料是指同一物相中包含任意两种或者两种以上铁性(铁电、铁弹和铁磁)的一类材料。其中多铁性磁电材料(同时具有铁电与铁磁两种铁性)在数据存储、自旋电子等功能型器件方面具有潜在的应用价值尤其引起研究员的关注。BiFeO作为多... 详细信息

多铁性材料是指同一物相中包含任意两种或者两种以上铁性(铁电、铁弹和铁磁)的一类材料。其中多铁性磁电材料(同时具有铁电与铁磁两种铁性)在数据存储、自旋电子等功能型器件方面具有潜在的应用价值尤其引起研究员的关注。BiFeO作为多铁性磁电材料中的明星材料,室温下同时具有铁电有序和反铁磁有序,能够形成大的铁电极化,是目前最为广泛研究的无铅多铁材料之一。本文采用脉冲激光沉积的方法在透明石英基底制备了Au/BiFeO/ITO电容结构器件。详细地研究了温度和氧压对BiFeO多晶薄膜基本性质的影响,找到了薄膜生长所需的优化的温度和氧压条件;在优化条件下生长的高质量BiFeO多晶薄膜中观察到了可反转的二极管特性和光伏特性,并分析了其中的物理机制。具体内容如下:1.在透明石英基片上成功生长了透明ITO导电薄膜。研究了温度对ITO薄膜生长的影响。发现在530℃-620℃的温度范围,ITO薄膜依旧保持着良好的结构与性质。紫外-可见光吸收谱测试表明ITO薄膜在可见光波段几乎完全透明。2.研究了不同温度对BiFeO多晶薄膜的影响。发现当生长温度太低时,薄膜没有完全结晶,易形成Bi过量杂相;温度太高时容易使薄膜中漏电增加,表现为铁电性差。合适温度使得BiFeO多晶薄膜晶格更为完整,薄膜中缺陷少。研究了不同氧压对BiFeO多晶薄膜的影响。由XRD数据可以发现氧压对薄膜结构影响非常大。由紫外可见光吸收谱测试可知氧压可以调控BFO薄膜带隙宽度。很可能是氧压升高减少了薄膜中氧空位的浓度,从而减少了缺陷态所形成的缺陷能级。3.在540℃,7Pa条件下生长的多晶BiFeO薄膜基本性质最好;在Au/BiFeO/ITO结构中观察到极化调节的可反转二极管效应,是极化电荷对界面肖特基势垒调节造成的。此外,我们还观察到了的明显可反转光伏效应;归结其原因是由铁电极化所形成的退极化场与界面肖特基势垒中内建电场的共同作用,且铁电极化所形成的退极化场起主导作用。

关键词：多铁性材料 BiFeO3多晶薄膜二极管效应光伏效应

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Bi2(Fe,Ni)MnO6双钙钛矿薄膜的阻变和光学性能研究

Bi2(Fe,Ni)MnO6双钙钛矿薄膜的阻变和光学性能研究

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作者：钟文敏广东工业大学

学位级别：硕士

信息存储技术在21世纪越来越被人们关注,因为传统的存储技术已经逐渐的出现了技术瓶颈,人们希望通过研究新材料和开发新技术用来制备下一代更高容量和性能稳定的存储器件。铋基双钙钛矿材料起源于铋基钙钛矿材料,因为双钙钛矿材料具有... 详细信息

信息存储技术在21世纪越来越被人们关注,因为传统的存储技术已经逐渐的出现了技术瓶颈,人们希望通过研究新材料和开发新技术用来制备下一代更高容量和性能稳定的存储器件。铋基双钙钛矿材料起源于铋基钙钛矿材料,因为双钙钛矿材料具有原料选择性广,容易调节元素之间的比例和更广阔的开发性等特点,现在越来越多的科研工作者对铋基双钙钛矿材料进行研究。本文通过化学溶液沉积了镍锰酸铋和铁锰酸铋薄膜,主要研究铋基双钙钛矿材料镍锰酸铋和铁锰酸铋薄膜的的阻变效应和光学性能。(1)在Pt/Ti/Si O/Si衬底上制备BiFe Mn O薄膜,并研究了Au/BiFe Mn O/Pt/Ti/Si O/Si器件结构的阻变效应。结果表明,经正向和反向电压扫描的Au/BiFe Mn O/Pt/Ti/Si O/Si器件结构具有阻变效应,利用氧空位组成的导电通道的断开和复合过程解释了该薄膜器件的的阻变效应。(2)在FTO/Glass衬底上沉积了BiFe Mn O薄分别在不同退火温度退火,并且在N气氛中退火。利用扫描探针显微镜研究了薄膜的表面形态。结果表明,薄膜也具有明显的阻变效应。并从空间电荷限制电流和肖特基机制的角度分析了薄膜的导电机理。研究了它的阻变特性分析了它的传导机制。研究了它的光电特性,分析了黑暗情况下薄膜的传导机制(3)在ITO基片上沉积了BiFe Mn O薄膜器件,并研究了它的光电效应。利用X射线电子能谱和X射线衍射光谱表征了材料的元素化学价态和物相特征。用第一原理计算了薄膜材料的带隙,用紫外光可见光估算材料的带隙。结果表明BiFe Mn O薄膜具有光电特性,并且铁电极化过程可以控制切换光电效应。(4)在La Ni O/Si衬底上沉积了BiNi Mn O薄膜,并且在不同的温度下进行退火处理。结果表明室温测量BiNi Mn O薄膜具有电滞回线,说明它具有室温铁电性,且随着退火温度的升高出现钉扎束腰效应。从电流-电压特性来看,薄膜展示出从近乎线性的电导率到具有整流效应的二极管效应的过渡过程。通过分析其导电机理,发现具有二极管效应的样品具有明显的空间电荷效应。

关键词：阻变二极管效应光电效应双钙钛矿

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