一种制备T相铁酸铋薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种制备T相铁酸铋薄膜的方法，采用溶胶-凝胶法制备外延生长的T相铁酸铋薄膜，制得的铁酸铋薄膜没有杂相，方法简单，成本较低。而且在T相铁酸铋薄膜上用脉冲激光沉积法同时制备材料相同的中心电极和边缘电极，得到具有体光伏效应的铁酸铋薄膜器件。能够消除铁酸铋薄膜器件的光伏效应中退极化场的贡献、肖特基势垒的贡献以及畴壁的贡献，仅仅是本征的体光伏效应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于铁电材料领域，具体设及一种制备T相铁酸祕薄膜的方法。
技术介绍
铁电体材料由于具有反常的光伏效应(光伏电压不受晶体禁带宽度化g)的限制， 甚至可比Eg高2~4个数量级，达IO3~10 5V/cm)而备受关注。 半个世纪W前，人们在具有非中屯、对称的各种铁电材料中已经发现了铁电光伏效 应，沿着极化的方向能产生稳定的光伏效应。一般认为，铁电材料的光伏效应起源于其自发 极化，铁电光伏的显著特点之一就是当极化方向在电场作用下转变的时候，光生电流也随 之发生转变，而且在铁电材料内部光生电流的方向始终与极化方向相反。铁电光伏效应与 传统的pn结所不同的是:在传统的pn结中，光激发的电子空穴对被pn结中的内建场迅速分 离，向相反的方向作漂移运动，最后到达电极，然后被电极收集起来。因此，理论上，pn结太 阳能电池所产生的光生电压受到半导体带隙宽度的限制，一般不到IV。对于铁电光伏效应 而言，实验上得到的光生电压正比于极化强度W及电极之间的距离，而不受带隙宽度的限 审IJ，可W达到IO 4Vd太阳能电池的光生电压越高，就意味着产生的电能越多，效率越高。 虽然有关铁电光伏效应的研究已有几十年，但直到现在，也没有人能够确切指出 运种材料光伏过程的原理，关于铁电材料反常光伏效应的起源也一直存在争议。一般来说， 影响铁电材料光生电压的因素有多种，例如两个电极之间的距离、光的强度、材料的导电 性、剩余极化强度、晶体取向、晶粒尺寸、氧空位、畴壁W及界面等。但从本质上来说，铁电光 伏效应的机制主要有W下几种： (1)体光伏效应 运种机制认为，光生电压产生于铁电材料的内部，因此称为"体光伏效应"，铁电材 料则作为"电流源"。光照下产生的稳定电流(光生电流:Js)与具有非中屯、对称铁电材料的 性质有关。在具有非中屯、对称晶体中，电子从动量为k的状态向动量为k'状态所跃迁的概率 与其从动量为k'的状态向动量为k状态跃迁的概率不同，导致了光生载流子的动量分布不 对称，从而在光照下能形成稳定的电流。通过铁电材料总的电流密度(J)可W表示为： J = Js+(〇d+〇ph 化 （1) 式中，Od和Oph分别表示铁电材料在暗场及明场下的电导，即暗电导和光电导；E = V/d为光照下铁电材料内部的电场，取决于外加电压(V)和两电极之间的距离(d)。由于电极 之间的距离通常都比较大，并且大多数铁电材料的暗电导和光电导都非常低，因此由铁电 材料构成的太阳能光伏器件可W视为电流源。在铁电材料中，光照下的开路电压V。。可W表 示为：C2) 从上式可W看出，如果总的电导率(〇d+〇ph)不明显依赖于光强度的话，开路电压Vdc 随短路光电流密度Jsc线性增加，表明开路电压正比于短路光电流Idc(因为短路光电流Idc等 于短路光电流密度Js乘W电流流通的面积），开路电压与短路光电流的比值就等于样品的 厚度。也就是说，如果将由铁电材料构成的太阳能光伏器件可W视为电流源的话，光电流就 是恒定不变的，那么短路光电压的值就正比于材料的厚度。 (2)畴壁理论 化ng等人在研究铁酸祕(铁酸祕，简写BF0)薄膜光伏效应时发现，BFO中光生电压 随着极化方向上畴壁数量的增加线性增加，垂直于极化方向上则没有观察到明显的光伏效 应。畴壁理论认为，由于极化强度在垂直于畴壁处会产生一个分量，其在畴壁处产生的电势 为~IOmV,畴壁宽度约为2nm，因此极化在畴壁处产生的电场高达5 X 106V/m，此值远大于pn 结中的内电场，被认为铁电材料产生反常光伏效应的起源，也是分离光生载流子的主要驱 动力。由于铁电材料中有很多电畴，被极化之后畴与畴之间首尾相连，而畴壁就像串联起来 的纳米级光伏发电机，光生电压沿着极化方向逐渐累加起来。运一机制与串联的太阳能电 池的概念类似，其输出电压为每一个单元之和。如果两个电极之间的距离越大，则电畴就越 多，光照下两电极之间产生的光生电压也就越高，运一模型可W很好的解释反常光伏效应。 此外，由于光照下产生连续的光电流，在一些文献中则把畴壁当成电流源，总的开路电压 (光生电压)Vdc由光照下铁电材料的电流密度、电导率和电极之间的距离Jsc决定。与体光伏 效应不同的是，畴壁理论将反常光伏效应归因于畴壁处载流子的激发，认为在畴壁外光激 发的载流子复合速度很快，可W将体光伏效应忽略。 虽然用畴壁理论可W很好的说明反常光伏效应，即光生电压可W远大于禁带宽 度，然而，有一些实验现象仅仅用磁畴壁理论是根本无法解释的，必须考虑到体光伏效应理 论。例如，根据畴壁模型，由于在畴壁处电势的降落是极化电荷引起的，因此光电流不依赖 于光的偏振方向。然而，研究者们在BFO等铁电材料中观察到光电流随着入射光偏振方向的 变化而变化的现象，表明铁电材料反常光伏效应的起源比大家预想的更加复杂。在铁电光 伏效应中，由于电畴和体效应对光生电流皆有贡献，因此，如果两者相长，则光生电流较大， 反之，光生电流比较小，运可W解释为什么在yang等人的实验中平行于畴壁方向没有观察 到光电流。 (3)肖特基结效应 当铁电材料与电极接触形成肖特基势垒时，界面处能带将会弯曲，光照下产生的 电子空穴对将被电极附近局部电场驱动，产生的光电流很大程度是由肖特基势垒和耗尽层 的的深度决定。根据运一模型，在肖特基势垒内部所产生光生电压的大小依然局限于铁电 材料的带隙，在研究铁电光伏效应的早期阶段肖特基效应所引起的电压常被忽略，是因为 它远远低于大部分铁电晶体中的反常光生电压。但肖特基效应在铁电薄膜光伏器件中变得 越来越重要，因为运些器件中的光伏电压输出通常比较小。一般来说，由相同电极与铁电材 料构成的具有=明治结构的铁电光伏器件中，肖特基势垒产生光电流的贡献是不存在的， 因为由上下两个相同的电极与铁电材料所构成的两个肖特基结是背靠背的，相互遏制，因 此所产生的光生电压和电流相抵消。然而，若采用不同类型的电极，可W实现具有垂直结构 的铁电光伏器件中光伏效应的增强。由于肖特基结效应与铁电材料的极化方向无关，根据 运一特点就可W区分肖特基结和体光伏效应对光电流的贡献。然而一些研究者认为，肖特 基势垒的高度可W通过对铁电材料施加电场改变其极化方向来进行调控。并且，当肖特基 势垒和铁电材料的极化方向发生转变的时候，光生电压的符号也随之发生转变。例如，由 Au/BFO/Au构成的具有垂直结构的铁电二极管中，光生电流及光生电压都随着极化方向的 转变而转变。最初将BFO薄膜体光伏效应认为是产生运一现象的主要原因，但随后的研究表 明，BFO薄膜在极化过程中的肖特基势垒的改变主要是由于氧空位的迁移造成的，而当氧空 位迁移在低溫下被冻结时，光伏效应随着极化方向的转变不再发生转变。 (4)退极化场效应 对于处于极化状态的铁电薄膜而言，薄膜表面具有高浓度的极化电荷，如果不考 虑屏蔽效应，运些高密度的极化电荷将会在铁电层内产生一个巨大的电场。WBFO薄膜为 例，其剩余极化强度约为10化C/cm 2，未被屏蔽的极化电荷所产生的电场可达3 X l〇i/m。当 铁电薄膜与金属或半导体接触时，剩余极化引起的表面电荷将会被金属或半导体中的自由 电荷部分屏蔽。通常，表面电荷之所W不完全被屏蔽因为极化电荷和自由补偿电荷重屯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备T相铁酸铋薄膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：铁前驱液的配制：将冰醋酸加入到硝酸铁中，置于70‑90℃恒温水浴锅中加热溶解，冷却到室温后转移入容量瓶中，再滴加乙二醇乙醚定容即得铁前驱液；铋前驱液的配制：将冰醋酸和乙二醇乙醚作为混合溶剂加入到硝酸铋中，经溶解后转移到容量瓶中，滴入乙二醇乙醚定容即得铋前驱液；将铁前驱液滴加到铋前驱液中，滴加后加入乙酰丙酮以调整溶胶粘度，混合均匀后经24小时即得纯铁酸铋的溶胶；将LaAlO3基片分别用酒精和丙酮在超声波中进行清洗，晾干；放置于匀胶机的吸片上；用除湿机将匀胶机周围的空气湿度降低到20％‑50％；取铁酸铋溶胶，用滴管滴在LaAlO3基片，放置5‑20秒，然后在匀胶机上匀胶；匀胶机停止之后，将LaAlO3基片取下，用吹风机从基片的背面通过热风吹干，然后放入管式炉进行烧结；管式炉中氧气的压强保持在0.01‑0.03M Pa，以每分钟2‑5°的速度将温度升高到200‑300°，保温10‑30分钟，然后以相同的升温速度升到550‑620°，保温1‑3个小时；之后自然降到室温；即制得T相铁酸铋薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高荣礼，符春林，蔡苇，陈刚，邓小玲，
申请(专利权)人：重庆科技学院，
类型：发明
国别省市：重庆;85