MgO基外延BiFeO3薄膜的结构和铁电光伏性能

摘要：

目的 深入研究BiFeO3(BFO)薄膜的结晶结构、生长取向及测试温度对其介电和铁电光伏性能的影响.方法 采用偏轴磁控溅射法,分别以单晶(001)MgO基片和外延La0.5Sr0.5CoO3(LSCO)薄膜作为衬底与底电极,构架Pt/BFO/LSCO/MgO异质结构的铁电电容器.采用XRD衍射仪表征LSCO和BFO薄膜的结构与生长取向,探究Pt/BFO/LSCO/MgO异质结构电容器的介电和铁电光伏性能,重点研究测试温度对其性能的综合影响.结果 X射线衍射(XRD)和Phi扫描结果表明,MgO基BFO与LSCO薄膜均为结晶良好的钙钛矿结构,且满足(00l)取向的外延生长.不同电压和频率下的介电测试表明,BFO 铁电薄膜具有较强的铁电性,正负矫顽电压分别为3.36、-1.12 V,但存在明显的介电色散现象,呈现先减小、后增大的趋势.在～100 kHz时,介电损耗最小,为 0.016;在 8 MHz时,增加到了 0.212.这主要由于不同频率下各种类型电荷的弛豫竞争机制所致.光伏性能测试表明,在室温(20℃)、光强250 mW/cm2 紫光垂直照射下,开路电压(VOC)和短路电流(JSC)分别为0.32 V和0.21 mA/cm2.进一步提高测试温度(分别为 40、60、80、100℃)发现,BFO铁电薄膜VOC呈先缓慢、后快速减小,而JSC呈先快速上升、后下降的趋势,并在临界温度80℃处展现了更快的光伏响应速度,VOC和JSC分别为0.30 V和 0.96 mA/cm2.能带分析表明,底电极LSCO与上电极Pt间大的功函数差(～1 eV)使得BFO薄膜中存在较强的内建电场,这有利于分离光生载流子,从而极大提高了BFO薄膜的铁电光伏效应.结论 BFO是一种具有重要潜在应用价值的优良环保光伏候选材料,提供了一种提高BFO铁电光伏器件性能的切实可行策略.

关键词：外延薄膜、BiFeO3、磁控溅射、铁电光伏

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分类号：O484(固体物理学)

资助基金：河北农业大学自主培养博士科研启动经费;河北农业大学自主培养博士科研启动经费;河北农业大学自主培养博士科研启动经费;河北农业大学师生协同项目;河北农业大学创新创业训练计划项目;河北农业大学创新创业训练计划项目;河北农业大学创新创业训练计划项目

在线出版日期：2023-06-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共7页

页码：377-383