氮掺杂钙钛矿铁电材料的畴结构演化和反常光伏效应研究

Ferroelectric materials exhibit broad prospect in electro-optic field owing to their unique electric polarization and anomalous photovoltaic effect. However, the wide bandgaps of most ferroelectrics severely limit the utilization of visible light in solar energy. Considering that the visible light response of some oxide photocatalysts can be effectively enhanced by nitrogen-doping, in this project low temperature annealing process in ammonia atmosphere is applied to introduce nitrogen ions into oxygen sites in ABO3 perovskite ferroelectrics to reduce their bandgaps for better visible light absorption. Meanwhile, the effect of nitrogen-doping on structures, domain evolution, electric and photoelectric performance will be comprehensively investigated: The variations of energy band structures and optical absorption properties of ABO3 ceramics with different level of nitrogen-doping will be analysed through the studies on the absorption spectra in combination with first-principle calculations; The domain structure evolution of nitrogen-doped ceramics will be observed by piezoresponse force microscopy to analyse the internal mechanism of the changes in ferroelectric performance; At last, the effect mechanism of nitrogen-doping on the anomalous photovoltaic performance of ABO3 ceramics will be clarified by combining the analysis on the optical absorption and ferroelectric properties, and this project will provide a new path to optimize the anomalous photovoltaic effect of ferroelectrics.

铁电材料因其独特的极化效应和反常光伏效应在光电领域有着广阔的应用前景。然而该类材料普遍具有较大的禁带宽度，极大地制约了对可见光的利用。考虑到在光催化领域氮掺杂可以有效地降低氧化物光催化材料的禁带宽度进而提高其在可见光下的活性，本项目拟以ABO3钙钛矿铁电材料为研究对象，采用在氨气气氛中低温退火的方法在氧位引入氮离子，以降低其禁带宽度，进而拓宽其反常光伏效应的光谱响应范围，同时深入研究氮掺杂对材料结构及性能的影响。通过对不同浓度氮掺杂陶瓷吸收光谱的研究，结合第一性原理计算分析其能带结构及光吸收性能变化的机理；借助压电力显微镜研究不同浓度氮掺杂陶瓷畴结构的特征及演变，进行解析以阐明其铁电性变化的内在机制；最终，结合对其光吸收性能及铁电性能的研究分析，阐明氮掺杂对钙钛矿铁电材料反常光伏性能的影响机制，建立调控和优化铁电材料反常光伏效应的新方法。

铁电材料因其独特的极化效应和反常光伏效应在光电领域有着广阔的应用前景。然而该类材料普遍具有较大的禁带宽度，极大地制约了对可见光的利用。氧位氮掺杂对钙钛矿铁电材料的电学性能和反常光伏性能的研究都具有重要价值，而目前国内外对这方面的报道较少。该领域的研究依旧存在着若干亟待解决的科学问题：（1）如何实现对钙钛矿铁电材料的可控氮掺杂，以调控其能带结构进而优化其光吸收性能；（2）氮掺杂对钙钛矿铁电材料的铁电、光电性能和畴结构的影响机制尚不明确；（3）氮掺杂对铁电材料反常光伏性能的具体影响尚未明确，需要进一步的研究和探索。本项目以钙钛矿铁电材料为研究对象，采用在氨气气氛中低温退火的方法在氧位引入氮离子，以降低其禁带宽度，进而拓宽其反常光伏效应的光谱响应范围，同时深入研究氮掺杂对材料结构及性能的影响。本项目主要采用固相法结合放电等离子烧结法制备一系列高质量的铁电/多铁陶瓷材料，如BiVO4和Bi0.5Na0.5TiO3及其固溶体等陶瓷体系等。利用XRD、SEM、EDS等方法研究了其相结构及显微结构，分析氮掺杂等对其物相结构的影响，并结合XPS分析了氮掺杂对其元素及化学环境的影响。利用紫外可见分光光度计研究了不同陶瓷及氮掺杂对其可见光范围光吸收的影响。进一步研究了不同陶瓷材料的铁电、光电、反常光伏等电学和光电性能。利用原位拉曼原位PFM等手段进一步研究了掺杂和光照引起的材料微观结构的演变，进而分析其结构、掺杂、光照等因素对其各方面性能的影响机理和潜在机制。结果表明氮掺杂的铁电/多铁陶瓷材料陶瓷在自驱动光电探测领域具有潜在的应用前景。