本文關(guān)鍵詞：窄帶隙多鐵性氧化物的合成及性質(zhì)研究

  更多相關(guān)文章： 多鐵性材料 Bi_(1-x)Tb_xFeO_3 KNBNNO KBiFe_2O_5 鐵磁性 帶隙

【摘要】：多鐵性材料,由于其獨(dú)特的物理性質(zhì)和在非易失性存儲(chǔ)器與集成半導(dǎo)體器件應(yīng)用方面的巨大潛力,一直備受關(guān)注。近幾年,鐵電材料內(nèi)部,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越光學(xué)帶隙的開(kāi)路電壓的發(fā)現(xiàn)使人們對(duì)該類材料的關(guān)注點(diǎn)延伸到鐵電光伏應(yīng)用方面。然而,大部分多鐵性材料的寬禁帶(E_g3.0 eV)使得太陽(yáng)光譜的利用率只有8%～20%,從而抑制了光伏效率的進(jìn)一步提升,故尋找合成窄帶隙多鐵性氧化物對(duì)于該類光伏電池效率的提升意義重大。本論文以窄帶隙多鐵性氧化物合成策略為指導(dǎo)思想,開(kāi)展實(shí)驗(yàn),制備了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鐵氧化物材料。研究結(jié)果表明寬帶隙氧化物可通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)帶隙的窄化調(diào)控,為多鐵性氧化物在鐵電光伏應(yīng)用方面提供新的思路。研究工作取得如下創(chuàng)新性成果:(1)成功將稀土金屬元素Tb摻入BiFe0_3晶格內(nèi),誘導(dǎo)xBTFO薄膜從菱方到贗四方的相轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)摻雜控制薄膜鐵磁性的增強(qiáng)和禁帶寬度的減小。使用sol-gel技術(shù)將稀土元素Tb成功摻雜到BiFe0_3薄膜內(nèi),并對(duì)xBTFO薄膜的微結(jié)構(gòu)、光學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)與Tb組分的依賴關(guān)系進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn):在石英基片上生長(zhǎng)的xBTFO薄膜,保持贗四方結(jié)構(gòu)和(110)擇優(yōu)取向。隨著Tb組分含量的提升,薄膜質(zhì)量有了明顯改善,鐵磁性線性增強(qiáng)而禁帶寬度線性減小。在FTO基片上生長(zhǎng)的xBTFO薄膜為菱形結(jié)構(gòu),隨著Tb組分含量的增加,出現(xiàn)從菱方到贗四方的相轉(zhuǎn)變。使用"應(yīng)力誘發(fā)相變"解釋該相變現(xiàn)象。晶格常數(shù),晶胞體積和拉曼特征峰的變化進(jìn)一步印證了相變的發(fā)生。采用相變和摻雜競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制來(lái)解釋鐵磁性隨著Tb組分含量增加表現(xiàn)出的非線性增加現(xiàn)象和禁帶寬度的非線性減小問(wèn)題。(2)采用sol-gel技術(shù)在石英和Pt(111)/Ti/SiO_2/Si(100)基片上制備KNBNNO氧化物薄膜。研究了該氧化物薄膜的微結(jié)構(gòu)、表面形貌、光學(xué)特性、鐵磁性、基片效應(yīng)等性質(zhì)。實(shí)現(xiàn)了 KNBNNO氧化物薄膜在可見(jiàn)光范圍的吸收,使KNBNNO氧化物薄膜作為鐵電光伏器件吸收層成為可能。其中sol-gel法制備KNBNNO薄膜之前未見(jiàn)報(bào)道。采用sol-gel技術(shù)在石英和Pt(111)/Ti/SiO2/Si(100)基片上制備KNBNNO氧化物薄膜。研究發(fā)現(xiàn):隨著B(niǎo)aNi_(0.5)Nb_(0.5)0_(3-δ)含量(x值)從0到1的變化,薄膜從贗立方轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎浇Y(jié)構(gòu)。禁帶寬度先下降后上升,x = 0.3處帶隙值最小。磁性從抗磁性到鐵磁性的轉(zhuǎn)變?cè)从诖判訬i~(2+)和被氧空位(Vo~(2_))捕獲的自旋極化電子之間的鐵磁交換作用(Ni~(2+)-Vo~(2-)-Ni~(2+))。對(duì)x值從0到0.3的變化區(qū)域進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn):隨著x值的增大,KNBNNO薄膜質(zhì)量有了顯著改善,同時(shí)薄膜光學(xué)帶隙依次降低。薄膜從抗磁性到鐵磁性的轉(zhuǎn)變?cè)从贜i~(2+)-Vo~(2_)-Ni~(2+)鐵磁交換作用和Ni~(2+)-Ni~(2+)超交換作用之間的競(jìng)爭(zhēng)。Pt(111)/Ti/SiO_2/Si(100)基片上生長(zhǎng)的KNBNNO薄膜在可見(jiàn)光波段的吸收,使KNBNNO材料作為鐵電光伏器件吸收層成為可能。(3)采用固相反應(yīng)法制備KBiFe2O5陶瓷,其光學(xué)帶隙為1.65 eV。采用sol-gel法在不同基片上制備出KBiFe2O5薄膜,且制備的薄膜在可見(jiàn)光范圍有強(qiáng)的吸收,說(shuō)明KBiFe2O5材料也可成為鈣鈦礦電池吸收層。采用固相反應(yīng)法制備KBiFe205陶瓷,850 ℃是制備KBiFe_20_5陶瓷的最佳溫度。KBiFe_20_5陶瓷具有1.65 eV的帶隙值,在可見(jiàn)光范圍有很好的吸收,使用Fe在[Fe0_4]四面體和[Fe0_6]八面體的占位來(lái)解釋其帶隙問(wèn)題。使用Fe~(3+)中電子的自旋狀態(tài)來(lái)解釋KBiFe_20_5陶瓷從順磁到鐵磁的轉(zhuǎn)變問(wèn)題。采用sol-ge]技術(shù)在石英和 Pt(111)/Ti/SiO_2/Si(100)基片上沉積 KBiFe_20_5 薄膜。退火溫度(750 ℃)和 K/Bi化學(xué)計(jì)量比(K:Bi = 1.05)是制備KBiFe_20_5薄膜的最優(yōu)化條件。石英基片上KBiFe_20_5薄膜的最佳光學(xué)帶隙為2.43 eV,Pt(111)/Ti/SiO_2/Si(100)基片上KBiFe_20_5薄膜的光學(xué)帶隙為1.10和1.90 eV,說(shuō)明該材料也可作為鈣鈦礦電池吸收層。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM221

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本文編號(hào)：1299204