基于摻雜鐵酸鉍薄膜的鐵電場(chǎng)效應(yīng)和光伏效應(yīng)研究

【摘要】：鐵電薄膜是一類重要的功能性薄膜材料,具有優(yōu)越的鐵電、熱釋電、壓電和電光效應(yīng),在微電子和光電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。多鐵性材料是指具有兩種或兩種以上初級(jí)鐵性體特征的單相化合物,目前具有這種性能的單相多鐵性材料十分有限,往往在較低的溫度下才能觀測(cè)到磁電效應(yīng)。近年來,多鐵性材料的研究,開辟了材料科學(xué)與凝聚態(tài)物理中的一片新領(lǐng)域,提供了很多研究課題。鐵酸鉍作為目前唯一的一種室溫多鐵性材料,有著良好的的鐵電性能,在非揮發(fā)存儲(chǔ)、傳感、催化和新能源等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。本文用sol-gel法制備了Pr、Mn共摻雜的鐵酸鉍薄膜Bi1-x%Prx%Fe0.95Mn0.05O3(BPFMOx, x=5、10、15、20、25),對(duì)薄膜的鐵電場(chǎng)效應(yīng)和光伏效應(yīng)做了初步的研究。研究內(nèi)容和主要結(jié)果如下： 1.研究了不同Pr含量摻雜對(duì)Pt/BPFMOx/Si結(jié)構(gòu)的鐵電場(chǎng)效應(yīng)的影響。X射線衍射的結(jié)果表明摻雜的鐵酸鉍薄膜都有良好的結(jié)晶性,觀測(cè)薄膜的表面形貌時(shí)可以清晰的看到晶粒,Pr元素的摻雜使得晶粒尺寸變小。通過對(duì)Pt/BPFMOx/Si結(jié)構(gòu)的C-V曲線的測(cè)量,我們發(fā)現(xiàn)沒有摻雜和5%Pr摻雜時(shí)C-V曲線是逆時(shí)針方向的,表明電荷注入占據(jù)主導(dǎo)；摻雜含量為10%、15%、20%和25%時(shí),C-V曲線變?yōu)轫槙r(shí)針方向,表明此時(shí)鐵電極化存儲(chǔ)占據(jù)主導(dǎo),并且在15%摻雜的時(shí)候窗口電壓達(dá)到最大,為0.92V。 2.研究了氧化鋁和氧化鉿作為阻擋層的金屬-鐵電層-阻擋層-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的鐵電場(chǎng)效應(yīng),制備了Pt/BPFMO15/Si、Pt/BPFMO15/Al2O3/Si和Pt/BPFMO15/HfO2/Si三種MFIS結(jié)構(gòu)。研究表明：在氧化鋁和氧化鉿上生長的Pr、Mn共摻雜的鐵酸鉍薄膜,結(jié)晶性良好。C-V曲線的測(cè)試結(jié)果表明氧化鋁作為阻擋層時(shí)窗口電壓最大值為1.4V,較沒有阻擋層的結(jié)果(0.96V)提高了50%。窗口大小隨掃描電壓的關(guān)系為先增加達(dá)到一個(gè)最大值后略微下降的變化趨勢(shì),阻擋層的增加抑制了曲線下降的幅度,表明氧化鋁阻擋層可以有效的抑制電荷的注入。氧化鋁作為阻擋層的結(jié)果不佳,窗口電壓最大僅為0.6V,而且隨著掃描電壓的增加,窗口電壓呈下降趨勢(shì)。 3.研究了BPFMOx薄膜的光伏效應(yīng)。在100mW/cm2的白光照射下測(cè)量了不同Pr摻雜薄膜的I-V曲線。結(jié)果表明：光照條件下開路電壓最大值可以達(dá)到21.6mV,較其暗環(huán)境下的300μV提高了70多倍；BPFMO15薄膜測(cè)得的光電壓最大,由于15%摻雜時(shí)薄膜的鐵電極化最大,因此可以推斷出鐵電光伏效應(yīng)是受極化調(diào)控的。 【關(guān)鍵詞】：鐵酸鉍薄膜 共摻雜 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管 鐵電光伏
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TB383.2
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 引言9-21
• 1.1 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管概述9-12
• 1.1.1 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)原理9-10
• 1.1.2 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)類型10-12
• 1.1.3 鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管的前景及存在的問題12
• 1.2 鐵酸鉍概述12-15
• 1.2.1 鐵酸鉍的結(jié)構(gòu)12-13
• 1.2.2 鐵酸鉍的鐵電性13-14
• 1.2.3 鐵酸鉍薄膜在鐵電場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用14-15
• 1.3 鐵電光伏概述15-17
• 1.3.1 傳統(tǒng)光伏效應(yīng)15-16
• 1.3.2 鐵電光伏效應(yīng)的原理及優(yōu)勢(shì)16-17
• 1.3.3 鐵酸鉍薄膜在太陽能電池領(lǐng)域中的應(yīng)用及挑戰(zhàn)17
• 1.4 本論文工作的內(nèi)容、目的和意義17-18
• 參考文獻(xiàn)18-21
• 第二章 Pr、Mn共摻雜的鐵酸鉍薄膜的制備工藝及表征方法21-35
• 2.1 鐵電薄膜的制備工藝21-22
• 2.2 溶膠-凝膠法制備Pr、Mn共摻雜的鐵酸鉍薄膜的工藝參數(shù)22-25
• 2.3 X射線衍射表征25-27
• 2.4 原子力顯微鏡表征27-29
• 2.5 電學(xué)性質(zhì)表征29-32
• 2.6 本章小結(jié)32-33
• 參考文獻(xiàn)33-35
• 第三章 幾種阻擋層對(duì)MFIS結(jié)構(gòu)性質(zhì)影響的研究35-43
• 3.1 阻擋層的選擇35
• 3.2 樣品的制備35-36
• 3.3 薄膜的晶體結(jié)構(gòu)36-37
• 3.4 薄膜的表面形貌37
• 3.5 電學(xué)性質(zhì)分析37-40
• 3.6 本章小結(jié)40-41
• 參考文獻(xiàn)41-43
• 第四章 Bi_(1-x%)Pr_(x%)Fe_(0.95)Mn_(0.05)O_3薄膜光伏性質(zhì)的研究43-49
• 4.1 樣品的制備及測(cè)量方式43
• 4.2 光伏性質(zhì)的研究43-46
• 4.3 本章小結(jié)46-47
• 參考文獻(xiàn)47-49
• 第五章 結(jié)論與展望49-50
• 碩士期間發(fā)表的論文50
• 致謝50-51

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