铁酸铋-钛酸铋钠铁电薄膜的光伏特性研究

铁酸铋(BFO)由于具有较低的禁带宽度及较高的电子传导特性，其薄膜在可见光的照射下可获得非常优越的光伏效应,且不同的研究结果表明BFO的光伏效应与铁电极化特性密切相关。显然铁电材料中的电子传导与极化之间的关系对铁电材料光伏效应具有重要的影响。铁酸铋-钛酸铋钠（BFO-NBT）与BFO具有相当的铁电极化特性并随NBT含量的增加其剩余极化减小而电子传导性增加，因此其不仅可望具有优越的光伏效应，而且也是我们研究电子传导与极化关系的理想材料。本次申请将制备高度取向或外延的BFO-NBT铁电薄膜，研究NBT含量对铁电薄膜光学吸收特性的影响，揭示BFO-NBT铁电薄膜的电子结构。研究铁电薄膜极化特性与电子传导之间关系对光伏效应的影响，揭示铁电材料光伏效应的主要形成机制，为发现具有优越光伏特性的铁电材料提供理论和实验依据。

本项目分别研究了BFO基固溶体薄膜，掺杂薄膜，菱方结构薄膜以及异质结薄膜的制备方法及光伏特性。通过本项目的研究，我们在FTO基板上制备获得了具有优越光伏效应的BFO基铁电薄膜，弄清了铁电薄膜极化特性与电子传导之间关系对光伏效应的影响，揭示了铁电多晶薄膜中光伏效应的主要形成机制，项目基本按原计划进行，并圆满地完成了项目的预期目标。主要研究结果包括：1)发现薄膜带隙的增加及其中氧空位的减少不利于光伏效应的增加；使用DMF作为溶剂在FTO基板上制备出了具有菱方结构的BFO薄膜，并发现菱方结构薄膜因具有比假立方结构薄膜更窄的带隙而使其光伏效应显著增加。2）首次发现氧空位和铁电极化都可以诱导可反转的二极管及光伏效应。对于氧空位含量高的样品，氧空位可以在远低于矫顽场的作用下发生电迁移而诱导可反转的二极管及光伏效应；而对于氧空位含量低的样品，则只有发生极化反转后才可导致二极管及光伏效应的反转。利用氧空位及铁电极化对能带结构的调制作用合理地解释了铁电体中光伏效应的形成机制，当氧空位对能带调制的作用超过铁电极化对能带调制的作用时，光电流的方向与最后一次施加电压的方向相反而与铁电极化方向无关。因此在氧空位较少的BFO中，光电流方向与极化方向相反，而在氧空位较多的BFO中，光电流方向取决于最后一次施加电场的方向。另外由于去除电场后氧空位的扩散导致光伏效应不断衰减，由氧空位诱导的光伏效应是非稳的。3)将超薄BFO层引入到钒酸铋和FTO之间，研究发现由于超薄层BFO中高的载流子密度和强烈的自极化，导致Au/BVO/BFO/FTO异质结薄膜电池的光伏效应相对于Au/BVO/FTO薄膜电池得到了很大的提高并且其光伏效应发生了反转，其开路电压和短路电流大小与同厚度的BVO薄膜相比分别提高了5倍和2.3倍。对超薄BFO层的电压-电流关系研究表明BFO中高的载流子密度主要是由于Au和BFO之间形成了隧道穿过效应。而其光伏效应发生反转则主要是由于BFO中自极化的存在使BFO/FTO界面由欧姆接触转变成肖特基接触所致。4）通过本项目的支持，已发表基金署名SCI论文14篇，其中影响因子大于3的有3篇，所做的研究得到了国内外的广泛关注，论文发表以来已被他引60余次，另外还有3篇基金署名文章在投。申请专利4项，其中已有1项获得授权，培养硕士研究生5人（3人已毕业），博士研究生2人。