Bi基鐵電外延薄膜的制備、微結(jié)構(gòu)和光伏性能研究.pdf

1、在近年來的研究中，Bi基鐵電材料以其固有的晶體結(jié)構(gòu)而表現(xiàn)出的多種物理特性而受到人們的廣泛和深入的研究。在鐵電材料的多種形式：單晶、薄膜以及陶瓷塊體的研究中，薄膜材料一直是微電子學(xué)領(lǐng)域研究的重要方向。在鐵電薄膜材料的性質(zhì)研究中，人們在探究鐵電性、磁學(xué)性質(zhì)和微結(jié)構(gòu)等性質(zhì)的同時，還發(fā)現(xiàn)出了其特有的光伏特性，具有光伏效應(yīng)的鐵電薄膜材料逐漸成為了人們在光伏領(lǐng)域研究的熱點。
　　作為鐵電光伏材料的重要成員，BiFeO3(BFO)自從被發(fā)現(xiàn)光伏

2、效應(yīng)以來一直成為人們研究的焦點，有關(guān)BF O光伏效應(yīng)的研究和報道層出不窮，并在不斷豐富和完善之中，在 BF O光伏效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理的深入研究中，研究者們一直傾向于從半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)和帶隙理論尋找答案，然而關(guān)于光學(xué)帶隙的動態(tài)改變對 BF O光伏效應(yīng)的影響卻未見報道，在此背景下，本論文研究的第一個重要內(nèi)容是動態(tài)應(yīng)變調(diào)控對 BF O光伏效應(yīng)的影響。本論文研究的第二個重要內(nèi)容是(Bi2 O2)2+((Am-1 BmO3m+1)2-結(jié)構(gòu)體系的 Bi基鐵

3、電材料Bi5Fe1-xCoxTi3O15(x=0,0.25,0.5)(BFTO和BFCTO)，本部分探索了三種外延薄膜的制備工藝并深入研究了其微結(jié)構(gòu)以及光伏特性等性質(zhì)。
　　一． BFO外延薄膜的原位動態(tài)調(diào)控：
　　為了研究動態(tài)應(yīng)變調(diào)控對 BF O外延薄膜的光伏效應(yīng)的影響，實驗選取了壓電性能優(yōu)異的PMN-PT單晶作為襯底，采用脈沖激光沉積(PLD)法在PMN-PT單晶襯底上分別外延生長22 nm厚的LSMO導(dǎo)電層及BFO薄膜

4、，并最終得到Pt/BFO/LSMO/PMN-PT結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)器件。經(jīng)過相應(yīng)的微結(jié)構(gòu)分析，得出 BF O薄膜是高度結(jié)晶外延生長的；BFO薄膜的鐵電性能良好，剩余極化強(qiáng)度Pr達(dá)到52μC/cm2。BFO薄膜原位條件下的光伏效應(yīng)較為明顯，在紫光照射下，BFO薄膜經(jīng)過極化后的光伏效應(yīng)明顯增強(qiáng)。
　　在對PMN-PT單晶襯底施加+10 kV/cm的外加電場后，BFO薄膜的光伏效應(yīng)明顯增強(qiáng)，開路電壓Voc由0.11 V增大到0.21 V，短路

5、電流Isc由44 nA增大到80 nA，為了定量的理解壓電應(yīng)變對光伏效應(yīng)的影響，我們引入了量規(guī)因數(shù)(ΔVoc/Voc)/δεxx，(ΔIsc/Isc)/δεxx和(Δη/η)/δεxx來表征應(yīng)變調(diào)節(jié)的有效性，這些系數(shù)分別表示開路電壓Voc、短路電流Isc和轉(zhuǎn)換效率η的相對變化相對于面內(nèi)應(yīng)變 xxδε的變化率，計算得到(ΔVoc/Voc)/δεxx，(ΔIsc/Isc)/δεxx和(Δη/η)/δεxx分別為758、642和1817。如此

6、大的應(yīng)變系數(shù)表明BFO薄膜的光伏響應(yīng)對晶格應(yīng)變非常靈敏。通過對應(yīng)變產(chǎn)生的光伏增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行研究，我們得出了相應(yīng)的增強(qiáng)機(jī)理：PMN-PT單晶襯底在外加電壓產(chǎn)生的強(qiáng)電場作用下晶格常數(shù)增大，產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)，在LSMO層的緩沖作用下對BFO薄膜產(chǎn)生張應(yīng)力，BFO薄膜的晶格常數(shù)也相應(yīng)增大，引起 BF O薄膜的光學(xué)帶隙減小，在同樣的光照條件下，能夠激發(fā)更多的光生載流子，從而導(dǎo)致光伏效應(yīng)明顯增強(qiáng)。
　　二．Bi5Fe1-xCoxTi3O15(x=

7、0,0.25,0.5)外延薄膜的制備、微結(jié)構(gòu)及光伏性能研究：
　　Bi5Fe1-xCoxTi3O15(x=0,0.25,0.5)是Aurivillius相的(Bi2O2)2+((Am-1BmO3m+1)2-層狀鈣鈦礦體系結(jié)構(gòu)的材料。本部分主要研究的是以SrTiO3單晶為襯底的三種組分外延薄膜的制備工藝，由于c軸方向的晶格常數(shù)較大，外延薄膜的生長條件比較復(fù)雜苛刻。例如，對于BFTO薄膜，我們經(jīng)過反復(fù)的條件探索，發(fā)現(xiàn)30 Pa O2的

8、沉積氣氛下薄膜質(zhì)量較好，在此溫度下，我們探索了BFTO薄膜的溫度生長條件，發(fā)現(xiàn)780℃時薄膜的質(zhì)量最好；同理，我們對Bi5Fe1-xCoxTi3O15(x=0.25,0.5)薄膜的生長溫度進(jìn)行了同樣方法的探索，得出最佳溫度生長條件分別為735℃和650℃。通過HR-XRD、SEM和TEM等微結(jié)構(gòu)測試方法的分析，得出Bi5Fe1-xCoxTi3O15(x=0,0.25,0.5)薄膜都是高度結(jié)晶外延生長的。
　　在三者的光伏性能研究中

9、，BFTO薄膜的光伏效應(yīng)較弱，在220 mW的紫光照射下Voc=0.07 V、Isc=680 nA，Bi5Fe1-xCoxTi3O15(x=0.25,0.5)的光伏效應(yīng)則明顯增強(qiáng)，Voc和Isc分別為0.18 V、～1500 nA和0.2 V、900 nA，說明Co元素?fù)诫s能夠明顯改善BFTO的光伏特性，這可能與Co元素提高了光生載流子的濃度有關(guān)。在對薄膜的光響應(yīng)測試中，三種薄膜分別在380 nm、400 nm和365 nm波長光的照射