Ba-Ni共摻雜對(duì)KNbO3鐵電性和帶隙的調(diào)控.pdf

1、當(dāng)前，能源問題已經(jīng)成為各國可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸,對(duì)可再生能源的有效利用成為急待解決的問題。太陽能以其取用不盡、綠色清潔無毒的特點(diǎn)成為解決當(dāng)前能源和環(huán)境問題的理想新能源。鐵電材料，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦吞柲芄夥牧稀：蚿n結(jié)半導(dǎo)體光伏效應(yīng)原理相似，具有自發(fā)極化的鐵電體依靠其極化場(chǎng)（“內(nèi)電場(chǎng)”）來分離光生電子-空穴對(duì)，可以產(chǎn)生相對(duì)高效的載流子分離能力。但是，鐵電體的較大禁帶寬度和較小的光伏輸出電流密度，限制了鐵電體在光伏效應(yīng)中的應(yīng)用?；?/p>

2、于該本質(zhì)問題，采用化學(xué)摻雜的手段對(duì)一種經(jīng)典的鐵電材料 KNbO3作化學(xué)改性，旨在降低鐵電體 KNbO3的禁帶寬度，提高鈮酸鉀基材料在光伏應(yīng)用中的光電轉(zhuǎn)換效率。其主要內(nèi)容如下：
　　首先，利用固相反應(yīng)法制備出純相的KNbO3陶瓷，之后設(shè)計(jì)并合成了一系列的Ba/Ni共摻 KNbO3多晶陶瓷(K1-xBax)(Nb1-x/2Nix/2)O3-δ，研究了在室溫下Ba/Ni共摻對(duì) KNbO3晶格結(jié)構(gòu)的影響： KNbO3為正交相，低濃度 Ba

3、/Ni摻雜KNbO3為四方相，(K0.5Ba0.5)(Nb0.75Ni0.25)O3-δ是立方相結(jié)構(gòu)；XPS測(cè)試表面摻雜的Ni呈現(xiàn)為+2價(jià)，摻雜后的樣品中存在著氧空位。
　　其次，研究了Ba/Ni共摻對(duì)KNbO3鐵電性的影響。Raman光譜表明Ba/Ni共摻對(duì)KNbO3晶格結(jié)構(gòu)引起畸變發(fā)生結(jié)構(gòu)演變外，還表明，隨著Ba/Ni摻雜比的增加，(K1-xBax)(Nb1-x/2Nix/2)O3-δ的室溫鐵電性在不斷減弱。電滯回線的測(cè)試表明

4、，在室溫下，(K0.9Ba0.1)(Nb0.95Ni0.05)O3-δ的最大極化強(qiáng)度是4.61μC/cm2、剩余極化強(qiáng)度是1.47μC/cm2、矯頑場(chǎng)是11.3 kV/cm。而(K0.5Ba0.5)(Nb0.75Ni0.25)O3-δ在室溫下失去鐵電性。介溫譜的測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步表明從低到高濃度 Ba/Ni摻雜樣品的結(jié)構(gòu)變化與KNbO3結(jié)構(gòu)隨溫度的變化非常相似，經(jīng)歷了正交—四方—立方的變化。
　　第三，吸收光譜的測(cè)試表明，KNbO3的

5、禁帶寬度是3.3 eV，摻雜后的KNbO3的禁帶寬度在1.1—2.0 eV之間可調(diào)變化。對(duì)其能級(jí)結(jié)構(gòu)分析表明，帶隙的變化主要是由于摻雜引起的結(jié)構(gòu)弛豫和變價(jià)摻雜所引起的電荷轉(zhuǎn)移。密度泛函理論計(jì)算表明，以低價(jià)Ni2+置換了鈣鈦礦的B位的Nb5+，在晶格中引入氧空位的同時(shí)，還在原來的價(jià)帶的最高能級(jí)Nb的4d電子態(tài)之上、Fermi能級(jí)之下引入了雜質(zhì)能級(jí)Ni的3d電子態(tài)，其共同作用降低了KNbO3的禁帶寬度。同時(shí)由于摻雜進(jìn)KNbO3的Ni原子的不