【摘要】：能源短缺、環(huán)境污染是可持續(xù)發(fā)展道路上亟待解決的重要問(wèn)題,利用清潔、可再生能源是解決這些問(wèn)題的重要方案,新型光電功能材料的研發(fā)是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能高效利用的重要途徑。鐵電光伏效應(yīng)因其具有不受材料禁帶寬度限制的開(kāi)路電壓,得到了研究者們的廣泛關(guān)注。并且,鐵電體光伏材料的光伏性能對(duì)材料的極化狀態(tài)具有明顯的依賴性,為可控性器件的設(shè)計(jì)提供了更好的選擇。常見(jiàn)的鈣鈦礦鐵電體材料普遍具有禁帶寬度大(3 eV)的特點(diǎn),這極大限制了鐵電光伏材料的研究,因此降低材料的禁帶寬度是鐵電光伏材料研究的首要問(wèn)題。對(duì)于鈣鈦礦鐵電材料而言,通過(guò)過(guò)渡金屬離子摻雜降低材料的禁帶寬度是最為常見(jiàn)的方案。然而,價(jià)態(tài)不匹配離子摻雜會(huì)使材料引入氧空位等結(jié)構(gòu)缺陷,缺陷對(duì)材料的鐵電性能有明顯的影響、對(duì)性能調(diào)控有著重要作用。鐵電性能是鐵電光伏效應(yīng)的基礎(chǔ),同時(shí)材料的極化狀態(tài)是調(diào)控鐵電體光伏性能的關(guān)鍵。因此,過(guò)渡金屬離子摻雜對(duì)鈣鈦礦材料鐵電性能的影響研究是必要的。實(shí)現(xiàn)鐵電體材料的光伏性能常見(jiàn)的方式是構(gòu)建具有電極/鐵電體/電極的“三明治”結(jié)構(gòu)的鐵電體光伏器件。這類器件中,電極與鐵電體的相互作用會(huì)明顯影響鐵電體光伏性能,尤其在極化過(guò)程中電極與鐵電體的相互作用會(huì)進(jìn)一步發(fā)生變化。因此,對(duì)光伏器件的物理機(jī)制研究同樣有著重要意義。本研究中選擇Fe摻雜鉭鈮酸鉀晶體(Fe-KTN)晶體作為研究對(duì)象,針對(duì)以下四個(gè)科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)研究:1、Fe摻雜對(duì)KTN晶體鐵電性能的影響及調(diào)控作用;2、Fe摻雜對(duì)KTN晶體中疇結(jié)構(gòu)取向過(guò)程的影響;3、Fe摻雜對(duì)KTN晶體禁帶寬度的調(diào)控作用;4、以Fe-KTN晶體為基礎(chǔ)構(gòu)建鐵電體光伏器件,對(duì)器件的光伏性能及電極與Fe-KTN晶體界面間相互作用的物理機(jī)制進(jìn)行分析。本文首先對(duì)四方相Fe-KTN晶體的鐵電性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。對(duì)Fe-KTN晶體中特殊的雙電滯回線的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行分析,提出缺陷偶極子對(duì)疇結(jié)構(gòu)的束縛作用和恢復(fù)力作用機(jī)制。解釋了原始狀態(tài)和退火、老化后的Fe-KTN晶體具有不同固有宏觀極化的原因。通過(guò)改變鐵電測(cè)試中的電場(chǎng)條件,實(shí)現(xiàn)了Fe-KTN晶體雙電滯回線的可控演化,發(fā)現(xiàn)了缺陷偶極子對(duì)外電場(chǎng)響應(yīng)的特征。研究了Fe摻雜量對(duì)Fe-KTN晶體鐵電性能及疇結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)過(guò)程的影響作用。首先通過(guò)鐵電測(cè)試,分析了不同摻雜量Fe-KTN晶體中缺陷偶極子的束縛作用、恢復(fù)力作用及對(duì)外電場(chǎng)響應(yīng)情況的變化。然后,利用偏光顯微鏡成像對(duì)Fe-KTN0.15和Fe-KTN1晶體中疇結(jié)構(gòu)對(duì)外電場(chǎng)響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了分析。最后,提出了晶體中有極性缺陷偶極子和無(wú)極性缺陷結(jié)構(gòu)共存,且缺陷結(jié)構(gòu)類型隨摻雜量轉(zhuǎn)變的模型,對(duì)不同摻雜量的Fe-KTN晶體的鐵電性能及疇翻轉(zhuǎn)過(guò)程進(jìn)行了解釋。研究了Fe-KTN晶體中疇結(jié)構(gòu)的本征取向特性及缺陷偶極子對(duì)晶體有序性的影響機(jī)制。首先,利用介溫譜測(cè)試及Fr?ohlich熵對(duì)Fe-KTN晶體在升降溫過(guò)程中的有序性進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)缺陷偶極子對(duì)晶體疇結(jié)構(gòu)的束縛作用是維持晶體有序性的原因,分析了束縛作用隨溫度變化的情況。同時(shí),通過(guò)鐵電測(cè)試、偏光顯微鏡成像分析了Fe-KTN晶體的本征取向特性。最后,對(duì)極化、老化后的Fe-KTN晶體進(jìn)行變溫鐵電性能測(cè)試,發(fā)現(xiàn)變溫過(guò)程中缺陷偶極子能夠在電場(chǎng)作用下恢復(fù)對(duì)疇結(jié)構(gòu)的取向作用。研究了Fe摻雜對(duì)KTN晶體的禁帶寬度的調(diào)控作用,并從能帶結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)對(duì)禁帶寬度降低的機(jī)制進(jìn)行了分析。然后,以Fe-KTN晶體為基礎(chǔ),構(gòu)建了具有ITO/Fe-KTN/Ag結(jié)構(gòu)的Fe-KTN晶體光伏器件,并對(duì)器件的光伏性能進(jìn)行測(cè)試,實(shí)現(xiàn)極化可翻轉(zhuǎn)的鐵電光伏性能。最后,提出Fe-KTN晶體光伏器件中退極化場(chǎng)與界面勢(shì)壘共存模型,Fe-KTN晶體光伏器件所表現(xiàn)出的可極化翻轉(zhuǎn)光伏性能是兩種內(nèi)置電場(chǎng)耦合作用的結(jié)果。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM221;TB34
【圖文】：

第 1 章 緒 論圖 1.1(a)所示，當(dāng)光子能量不低于半導(dǎo)體禁帶寬度的入射光照射半子吸收光子能量被激發(fā)至導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶處形成空穴，即產(chǎn)生電生載流子的形成過(guò)程與半導(dǎo)體內(nèi)部能帶結(jié)構(gòu)密不可分，禁帶寬度決定用太陽(yáng)光的頻率范圍。2）光生電勢(shì)差的產(chǎn)生過(guò)程-n 結(jié)結(jié)構(gòu)是由 n 型半導(dǎo)體與 p 型半導(dǎo)體緊密接觸構(gòu)成的。n 型半導(dǎo)體載流子，其濃度遠(yuǎn)大于空穴，而 p 型半導(dǎo)體中載流子濃度情況則與之半導(dǎo)體緊密接觸，由于載流子的濃度差異，載流子會(huì)自發(fā)擴(kuò)散，分別 型區(qū)內(nèi)靠近界面處積累空間電荷，最終形成一個(gè)由 n 型區(qū)指向 p 型（Ebi），如圖 1.1(c)所示。在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子-空穴對(duì)相反方向移動(dòng)至材料表面，從而形成光生電勢(shì)差。當(dāng) p-n 結(jié)兩端被導(dǎo)便會(huì)有光生電流產(chǎn)生。

路電壓較低（理論上，一般不到 1V）的特點(diǎn)，鐵電材壓可遠(yuǎn)大于材料的禁帶寬度，因此鐵電體光伏材料的能 p-n 結(jié)半導(dǎo)體。同時(shí)，鐵電體光伏材料中產(chǎn)生的光生短極化狀態(tài)具有明顯的依賴性，為可控性器件設(shè)計(jì)提供了鐵電光伏效應(yīng)的研究并不是一個(gè)新鮮的課題。早在上世發(fā)現(xiàn) BaTiO3單晶中穩(wěn)定的光生電壓現(xiàn)象[1]，研究表明密切相關(guān)，鐵電體中特殊的光伏效應(yīng)走進(jìn)了人們的視野iTaO3晶體[53]的研究中也證實(shí)了這一特殊光伏效應(yīng)的存在在某些鐵電材料中發(fā)現(xiàn)反常的光伏效應(yīng)，巨大的光生電 62]，不再受到材料禁帶寬度的限制，并且光生電壓能夠由于光電流十分微弱，并且其中的物理機(jī)制尚不明確，到研究者們的重視。直到 2009 年，ChoiT 等人[2]在 BiF發(fā)現(xiàn)鐵電光伏效應(yīng)可翻轉(zhuǎn)的特性。至此，鐵電光伏效應(yīng)煥發(fā)出新的活力。雖然鐵電光伏效應(yīng)經(jīng)歷了多年的研究仍不十分清晰。

量特征[66-68]。Sturman 和 Fridkin 在位移電流模型的基礎(chǔ)上提出了鐵電光伏效應(yīng)的三階張量模型[69]。通過(guò)對(duì)張量模型的討論，能夠很好地解釋鐵電光伏效應(yīng)中光生電流與入射偏振光的方向的關(guān)系。然而，在位移電流張量模型中分析得到的光生電流方向與其他效應(yīng)所引起的光生電流方向相反，利用該模型也不能完善的解釋現(xiàn)階段的鐵電光伏效應(yīng)的所有特征。雖然部分研究工作表現(xiàn)出鐵電光伏效應(yīng)是多種效應(yīng)耦合作用的效果，但是現(xiàn)階段仍不能對(duì)鐵電效應(yīng)的微觀機(jī)制給出完美的解釋。1.3.2 疇壁光伏效應(yīng)對(duì)鐵電光伏效應(yīng)的微觀機(jī)制研究一直是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)�，F(xiàn)階段所公認(rèn)的理論是基于鐵電體固有的“內(nèi)建電場(chǎng)”即退極化場(chǎng)的存在，使得光生載流子可在材料內(nèi)部得以定向分離，從而達(dá)到光電能量轉(zhuǎn)換的目的。然而，這一層面的理論解釋還未深入到鐵電體內(nèi)部疇及疇壁的結(jié)構(gòu)層次，內(nèi)建電場(chǎng)的量級(jí)、分布情況，以及內(nèi)部載流子的輸運(yùn)情況等仍是不清晰的，因此針對(duì)體光伏效應(yīng)的機(jī)制探討仍是不完善的。隨著微加工技術(shù)和微尺度探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，才使得在疇及疇壁尺度對(duì)鐵電光伏效應(yīng)的探索成為可能。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 劉U

本文編號(hào)：2773436