BiFeO3基薄膜的光伏和電致阻變特性研究.pdf

1、BiFeO3薄膜是一種窄帶隙半導(dǎo)體，并且在居里溫度以下還具有自發(fā)極化，這兩方面的原因使得BiFeO3薄膜對(duì)可見光具有高敏和快速響應(yīng)并且能產(chǎn)生穩(wěn)定的光電壓和光電流，即產(chǎn)生光伏效應(yīng)。這為BiFeO3薄膜在光敏和其他光電器件方面的開發(fā)和研究提供了一條嶄新的途徑。另外，阻變存儲(chǔ)器(RRAM)被認(rèn)為是下一代非易失性存儲(chǔ)器的有力競(jìng)爭(zhēng)者。而最近，有報(bào)道BiFeO3薄膜還具有電致阻變特性，這表明BiFeO3薄膜還可用于RRAM中的一種新型存儲(chǔ)材料。在這

2、篇論文中，制備了Pt/BiFeO3基薄膜/FTO三明治結(jié)構(gòu)的電容器或者RRAM存儲(chǔ)單元，本文主要討論其光伏和電致阻變開關(guān)特性，其主要研究結(jié)果如下：
　　1. BiFeO3基薄膜的光伏特性研究
　　對(duì)于鐵電薄膜材料光電壓的形成機(jī)制，主要考慮薄膜內(nèi)部的自發(fā)極化或者剩余極化形成的極化電場(chǎng)和電極/薄膜界面的肖特基勢(shì)壘所形成的內(nèi)建電場(chǎng)。本文主要討論材料的微結(jié)構(gòu)，外電場(chǎng)極化，薄膜厚度，襯底的選擇和摻雜對(duì)BiFeO3薄膜光伏特性的影響。<

3、br>　　(1)相對(duì)于通過不同的退火程序制備的厚度相同并且隨機(jī)取向的BiFeO3薄膜，高度擇優(yōu)取向的BiFeO3薄膜因具有更大的自發(fā)極化從而產(chǎn)生更大的光電壓和光電流。又進(jìn)一步證實(shí)了通過外加電場(chǎng)極化可以調(diào)控多晶BiFeO3薄膜光電壓的大小，而且高度擇優(yōu)取向薄膜中光電壓變化的幅度更大本質(zhì)上是源于其優(yōu)化的晶體結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)多晶BiFeO3薄膜的光伏輸出和對(duì)外加電場(chǎng)極化的光伏響應(yīng)，這使得高度擇優(yōu)取向的多晶薄膜很有可能

4、取代制備成本昂貴的外延BiFeO3薄膜應(yīng)用于相應(yīng)的光電器件中。
　　(2)討論了薄膜的厚度對(duì)多晶BiFeO3薄膜晶格參數(shù)，自發(fā)極化和光伏輸出的影響。隨著薄膜厚度的增加，光電壓越大，而對(duì)應(yīng)的光電流越??；然而薄膜的自發(fā)極化并不是隨薄膜厚度的增加而單調(diào)變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明薄膜層所吸收的激光光子的數(shù)量是決定不同厚度薄膜光電壓的主要因素，而自發(fā)極化僅為次要因素。
　　(3)相對(duì)于上述在FTO襯底上制備的BiFeO3薄膜，在ITO透明電極

5、兼襯底上制備的BiFeO3薄膜晶體從R3c結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镽3m結(jié)構(gòu)，由于晶體結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性減弱使得BiFeO3薄膜的自發(fā)極化減弱，從而在ITO襯底上制備的薄膜的光電壓減小。
　　(4)A位低價(jià)Ba2+摻雜使得薄膜晶體從R3c結(jié)構(gòu)向R3m結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，而且因Ba2+的摻雜而增多的帶正電氧空位缺陷會(huì)作為電子陷阱俘獲更多光激發(fā)產(chǎn)生的電子，從而降低BiFeO3薄膜中因光致電子-空穴對(duì)反方向分離而形成的光電壓。相對(duì)于純BiFeO3薄膜，A位等價(jià)La

6、3+和Nd3+摻雜的薄膜光電壓變化比較小，這是源于三方晶格不對(duì)稱性下降和薄膜中氧空位的減少。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于多晶BiFeO3基薄膜，還需要考慮氧空位缺陷對(duì)其光伏輸出的影響。
　　2. BiFeO3基薄膜的電致阻變特性研究
　　主要討論BiFeO3基薄膜在不同限制電流下的電致阻變特性。對(duì)于BiFeO3和Bi0.9La0.1FeO3薄膜，隨著限制電流的增加，測(cè)得三種不同類型的I–V特性曲線，分別是有電阻轉(zhuǎn)變但沒有記憶效應(yīng)的I–V