窄带隙多铁性氧化物的合成及性质研究

发布时间：2017-12-17 07:13

  本文关键词：窄带隙多铁性氧化物的合成及性质研究

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【摘要】：多铁性材料,由于其独特的物理性质和在非易失性存储器与集成半导体器件应用方面的巨大潜力,一直备受关注。近几年,铁电材料内部,远远超越光学带隙的开路电压的发现使人们对该类材料的关注点延伸到铁电光伏应用方面。然而,大部分多铁性材料的宽禁带(E_g3.0 eV)使得太阳光谱的利用率只有8%～20%,从而抑制了光伏效率的进一步提升,故寻找合成窄带隙多铁性氧化物对于该类光伏电池效率的提升意义重大。本论文以窄带隙多铁性氧化物合成策略为指导思想,开展实验,制备了Bi_(1-x)Tb_xFeO_3(xBTFO)薄膜,[K_(0.5)Na_(0.5)NbO_3]_(1-x)[BaNi_(0.5)Nb_(0.5)O_(3-δ)]_x(KNBNNO)薄膜,KBiFe_20_5薄膜和陶瓷等一系列多铁氧化物材料。研究结果表明宽带隙氧化物可通过实验手段实现对带隙的窄化调控,为多铁性氧化物在铁电光伏应用方面提供新的思路。研究工作取得如下创新性成果:(1)成功将稀土金属元素Tb掺入BiFe0_3晶格内,诱导xBTFO薄膜从菱方到赝四方的相转变,实现掺杂控制薄膜铁磁性的增强和禁带宽度的减小。使用sol-gel技术将稀土元素Tb成功掺杂到BiFe0_3薄膜内,并对xBTFO薄膜的微结构、光学、磁学、电学与Tb组分的依赖关系进行了深入研究。研究发现:在石英基片上生长的xBTFO薄膜,保持赝四方结构和(110)择优取向。随着Tb组分含量的提升,薄膜质量有了明显改善,铁磁性线性增强而禁带宽度线性减小。在FTO基片上生长的xBTFO薄膜为菱形结构,随着Tb组分含量的增加,出现从菱方到赝四方的相转变。使用"应力诱发相变"解释该相变现象。晶格常数,晶胞体积和拉曼特征峰的变化进一步印证了相变的发生。采用相变和掺杂竞争的机制来解释铁磁性随着Tb组分含量增加表现出的非线性增加现象和禁带宽度的非线性减小问题。(2)采用sol-gel技术在石英和Pt(111)/Ti/SiO_2/Si(100)基片上制备KNBNNO氧化物薄膜。研究了该氧化物薄膜的微结构、表面形貌、光学特性、铁磁性、基片效应等性质。实现了 KNBNNO氧化物薄膜在可见光范围的吸收,使KNBNNO氧化物薄膜作为铁电光伏器件吸收层成为可能。其中sol-gel法制备KNBNNO薄膜之前未见报道。采用sol-gel技术在石英和Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)基片上制备KNBNNO氧化物薄膜。研究发现:随着BaNi_(0.5)Nb_(0.5)0_(3-δ)含量(x值)从0到1的变化,薄膜从赝立方转变为立方结构。禁带宽度先下降后上升,x = 0.3处带隙值最小。磁性从抗磁性到铁磁性的转变源于磁性Ni~(2+)和被氧空位(Vo~(2_))捕获的自旋极化电子之间的铁磁交换作用(Ni~(2+)-Vo~(2-)-Ni~(2+))。对x值从0到0.3的变化区域进一步研究发现:随着x值的增大,KNBNNO薄膜质量有了显著改善,同时薄膜光学带隙依次降低。薄膜从抗磁性到铁磁性的转变源于Ni~(2+)-Vo~(2_)-Ni~(2+)铁磁交换作用和Ni~(2+)-Ni~(2+)超交换作用之间的竞争。Pt(111)/Ti/SiO_2/Si(100)基片上生长的KNBNNO薄膜在可见光波段的吸收,使KNBNNO材料作为铁电光伏器件吸收层成为可能。(3)采用固相反应法制备KBiFe2O5陶瓷,其光学带隙为1.65 eV。采用sol-gel法在不同基片上制备出KBiFe2O5薄膜,且制备的薄膜在可见光范围有强的吸收,说明KBiFe2O5材料也可成为钙钛矿电池吸收层。采用固相反应法制备KBiFe205陶瓷,850 ℃是制备KBiFe_20_5陶瓷的最佳温度。KBiFe_20_5陶瓷具有1.65 eV的带隙值,在可见光范围有很好的吸收,使用Fe在[Fe0_4]四面体和[Fe0_6]八面体的占位来解释其带隙问题。使用Fe~(3+)中电子的自旋状态来解释KBiFe_20_5陶瓷从顺磁到铁磁的转变问题。采用sol-ge]技术在石英和 Pt(111)/Ti/SiO_2/Si(100)基片上沉积 KBiFe_20_5 薄膜。退火温度(750 ℃)和 K/Bi化学计量比(K:Bi = 1.05)是制备KBiFe_20_5薄膜的最优化条件。石英基片上KBiFe_20_5薄膜的最佳光学带隙为2.43 eV,Pt(111)/Ti/SiO_2/Si(100)基片上KBiFe_20_5薄膜的光学带隙为1.10和1.90 eV,说明该材料也可作为钙钛矿电池吸收层。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM221

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本文编号：1299204