钛酸铋系铁电薄膜的合成与光电性能研究

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铁电材料作为一种重要的功能材料,已在微电子、光电子和微机电系统等领域得到了广泛的应用。其中铋层状铁电材料是最近研究比较多的一种材料,它是一种有着良好物理性能的多功能材料,如铁电、光电、介电、压电等诸多方面,尤其是铁电材料光电性能的研究日益增多。Bi4Ti3O12(BTO)这种材料作为一种环境友好型无铅铁电材料受到人们的高度关注,以往的研究主要集中在BTO的铁电、介电和发光性质,对其光伏性质的研究较少。本论文研究了未掺杂的BTO铁电薄膜和La掺杂的BTO铁电薄膜(Bi3.5La0.5Ti3O12,BLTO)中的光伏效应,主要研究内容如下:  1.通过传统的固相反应法在900℃左右成功烧结出BTO靶材,并通过脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition,PLD)法在掺杂氟的SnO2透明导电玻璃(SnO2∶F,FTO)玻璃衬底上沉积出纯相的BTO薄膜,测得的XRD图谱与靶材的相对应。陶瓷靶材和薄膜的PFM信息证明了它们铁电性的存在。J-V的测试结果显示该BTO薄膜具有光电导效应,我们认为由于功函数的不同所导致的肖特基势垒是产生光电导的主要原因。  2.通过溶胶凝胶法将BTO薄膜成功的生长在FTO玻璃衬底上。光照下J-V特性曲线表明BTO薄膜具有较明显的光伏效应,其最大转换效率约为0.00026%。我们认为极化对该薄膜的光伏效应贡献不大,肖特基势垒是分离电子-空穴对的主要驱动力。该薄膜ON-OFF的曲线显示了光电流随光照强度增大而增加。但是光电流密度随着时间的延长几乎不变,这表明光的热效应是可以忽略不计的。我们的实验结果表明BTO薄膜在光电器件领域具有良好的应用前景。  3.通过溶胶凝胶法在FTO衬底上成功地将La掺进BTO制备出纯相的BLTO薄膜,La取代Bi的位置之后晶体结构基本没有发生变化。BLTO薄膜和BTO相比铁电性有所提高,在宏观状态下测试出其铁电性,并发现随着外加电场的逐渐增大,薄膜的剩余极化在逐渐增大,矫顽场也在增加。在加光条件下的J-V测试显示出开路电压大约是0.08V,短路电流密度大约是700 nA/cm2,最大光电转换效率大约为0.00135%,它比BTO的效率(0.00026%)提高了约50倍,说明通过掺杂得到的BLTO的光伏效率要远远高于BTO的光伏效率。掺La之后导致氧空位浓度减小,宏观铁电性增强,铁电极化引起的退极化场也增强。我们认为光生载流子分离的驱动力可能来自于铁电退极化场和界面肖特基势垒的协同作用。
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