【摘 要】
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多铁材料是指同时具有铁电性、铁弹性和铁磁性中两种及以上性质的材料,近年来引起了人们的广泛关注。在光、应力等外场作用下,其会产生许多独特的物理现象。铁电光伏相比于传统半导体太阳能电池,产生的光生电压能突破材料带隙宽度。并且铁电材料自身有铁电极化,极化方向能在外电场作用下发生翻转,光生电流与光电压也能随之翻转改变。这些优点显示了铁电材料在光伏领域有着极大的应用潜力。Bi Fe O3（BFO）作为经典的
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多铁材料是指同时具有铁电性、铁弹性和铁磁性中两种及以上性质的材料,近年来引起了人们的广泛关注。在光、应力等外场作用下,其会产生许多独特的物理现象。铁电光伏相比于传统半导体太阳能电池,产生的光生电压能突破材料带隙宽度。并且铁电材料自身有铁电极化,极化方向能在外电场作用下发生翻转,光生电流与光电压也能随之翻转改变。这些优点显示了铁电材料在光伏领域有着极大的应用潜力。Bi Fe O3（BFO）作为经典的多铁钙钛矿材料,在室温下具有铁电性（TC～1100 K）和反铁磁性（TN～640 K）,但是其较大的光学带隙（2.7 e V）和弱反铁磁性限制了其在多铁器件上的应用。2014年Nechache制备了沿[111]方向Fe-Cr高度有序的Bi2Fe Cr O6（BFCO）双钙钛矿多铁薄膜,通过调节激光脉冲频率,可以调控Fe-Cr有序度,进而调节材料的光学带隙,得到的铁电薄膜光伏电池转换效率达到8.1%。然而作为一种新型的多铁薄膜材料,BFCO的铁电畴结构尚不清楚。本论文以BFCO外延薄膜为研究对象,主要对其生长工艺、畴结构、光学和电学性质进行探讨研究。研究发现:BFCO畴结构与BFO相似,且通过改变衬底能实现对畴结构的调控;BFCO在继承BFO铁电性质的同时,拓宽了对可见光波段吸收。具体成果如下:1.采用脉冲激光沉积法在SrRuO3（SRO）/SrTiO3（STO）（001）和STO（001）两种基底上外延生长了高质量的BFCO薄膜。系统的探究了沉积温度、激光能量、激光脉冲频率等条件对BFCO薄膜生长的影响,综合得到了BFCO薄膜最佳的沉积条件。通过X射线衍射和原子力显微镜表征,表明我们得到的BFCO薄膜沿STO（001）衬底表面外延生长,表面形貌呈连续的台阶状。通过倒易空间图谱扫描,进一步确认了BFCO是外延薄膜,拟合计算得出BFCO的面外晶格参数为3.974（?）;并发现BFCO（103）倒易点发生分裂,这暗示BFCO薄膜具有多畴结构。2.研究了生长在SRO/STO（001）和STO（001）两种基底上BFCO薄膜的铁电性质和畴结构。利用压电力显微镜（PFM）和倒易空间图谱扫描,确定了生长在SRO/STO（001）上的200 nm厚度BFCO薄膜的畴结构同时存在八个方向极化矢量。这是由于在挠曲电效应和SRO层Sr O截止面效应共同作用下,导致BFCO薄膜同时存在向上和向下的自发极化。为了排除SRO底电极的影响,我们利用PFM确定了直接生长在STO（001）上的200 nm厚度BFCO薄膜的畴结构。确认其面外自发极化方向仅向上,且部分区域面内极化存在四个极化方向,而在有些区域简并成两个极化方向。这是由于在Ti O2截止面和Fe/Cr元素分布不均匀的共同作用下,导致BFCO薄膜的极化矢量发生简并。利用PFM表征了BFCO薄膜的局部铁电性,同时通过铁电测试仪对Au/BFCO/SRO/STO（001）结构的薄膜电容器在室温下进行P-E电滞回线表征,证明了BFCO是室温铁电性材料,但BFCO薄膜中存在较大的漏电。3.制备了ITO/BFCO/SRO/STO（001）结构的光伏器件,发现与BFO相比,BFCO拓宽了对太阳光的吸收波段,同时有更好的分离载流子效率,产生了更大的光生电流。对比BFCO与BFO薄膜的吸收光谱,发现BFCO拓宽了对近红外波段的吸收,提高了对光的吸收率。同时制备了ITO/BFCO/SRO/STO（001）和ITO/BFO/SRO/STO（001）结构的电池器件。在标准太阳光、紫光与绿光照射下,BFCO相比于BFO铁电光伏器件,拓宽了对太阳光吸收波段,且具有更好的分离载流子效率,能产生更大的光生电流和开路电压。同时我们对BFCO薄膜电池施加电压场进行极化调控,提高了光生电流大小,实现了光伏效应的增强。
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