钛酸铋钠基和铁酸铋基陶瓷的微观结构、电性能和光电性能研究

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能源问题是困扰人类社会的一大难题,清洁无污染的太阳能得到了人们的青睐。钙钛矿型铁电半导体材料具有较强的光吸收和产生光电流的能力近年来受到广泛的关注,Bi0.5Na0.5TiO3(BNT)基陶瓷和Bi FeO3(BFO)基陶瓷是无铅功能陶瓷的研究热点,但是其具有较高的光学带隙,限制了它们在光电领域的发展,因此掺杂改性是解决这一问题的重要方法。本文以钛酸铋钠基和铁酸铋基陶瓷为基础,通过掺杂La2Mo2O9、MnO2和Sr0.7Bi0.2TiO3,系统地研究了掺杂后对陶瓷的微观结构和电学性能尤其是光电性能的影响。使用传统固相合成法成功制备了(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-x La2Mo2O9(x=0、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%)陶瓷,XRD图谱拟合分析和拉曼光谱表明陶瓷结构发生了从三方结构(x=0)到三方和伪立方结构共存(x=0.9%)的转变。陶瓷的最高极化强度随掺杂量增加先降低再升高,当x=0.7%时,最高极化强度降到最低,最低值为39.66μC/cm2。陶瓷的光吸收强度随掺杂量的增加先升高后降低,当x=0.7%时的光吸收强度最高,此时在波长300-1500 nm的吸收强度始终保持在60%以上。光学带隙值随着掺杂量的升高先降低后升高,在x=0.7%时取得最低的带隙值为1.57 e V。陶瓷的光电流密度随着掺杂量的升高先增加后减小;当x=0.7%时陶瓷在未极化状态下获得的最大光电流密度为33.90 n A/cm2,在10 k V/cm电场下极化后的光电流密度为71.06 n A/cm2。使用传统固相合成法成功制备了0.993Bi0.5Na0.5TiO3-0.7%La2Mo2O9+x MnO2(x=0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%)陶瓷,XRD图谱拟合分析和拉曼光谱表明陶瓷结构由三方结构(x=0)向伪立方结构(x=1%)转变。XPS分析表明Mn离子发生了变价,变价后的Mn2+和Mn4+的加入在导带和价带之间形成中间态,从而减少了带隙。陶瓷的光吸收强度随着掺杂量的升高而大大增加,当x=1%时,在可见光的范围内光吸收强度超过了80%。陶瓷的光学带隙值随着掺杂量的升高而降低,当x=1%时,获得的带隙最低,最低值为1.18 e V。在带隙最低点获得的最大光电流密度为147.982n A/cm2,开路电压Voc为2.12 V,此时对应的功率为0.314μW/cm2,然后在10 k V/cm的电场下极化10 min后的光电流值为552 n A/cm2,开路电压Voc为2.16 V,对应功率为1.192μW/cm2。(1-x)BiFeO3-0.3BaTiO3-xSr0.7Bi0.2TiO3+0.5%MnO2(x=0、0.03、0.06、0.09、0.12、0.15、0.2、0.3)陶瓷使用传统固相合成法制备,通过对XRD图谱拟合分析表明随掺杂量增加陶瓷结构经过了从三方结构到三方和伪立方结构共存到伪立方结构的转变。SEM图显示了晶粒尺寸先迅速减小,然后变化不大。在60 k V/cm的条件下,最高极化强度Pmax和剩余极化强度Pr逐渐降低,铁电体由正常铁电体向弛豫铁电体转变,当x=0.3时,剩余极化强度降为0.38μC/cm2。陶瓷的光吸收强度在0?x?0.09时始终保持在较高水平,可见光范围内的吸收强度超过了90%,随后在0.15?x?0.3时下降,但在可见光范围内的吸收强度仍超过80%。陶瓷的光电流密度在0?x?0.15时保持一个较低水平,不超过7.33 n A/cm2;当x=0.2时的光电流密度最高,最高为12.73 n A/cm2;当x=0.3时最高光电流密度又略有下降,为9.79 nA/cm2。
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