课题基金 / 基金详情

高质量带隙可调铌酸钾基铁电薄膜的制备及物性研究

批准号:
12104310
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
李传青
依托单位:
学科分类:
铁电与多铁体系
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
李传青

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
铌酸钾基铁电体是近年来新开发出来的一类带隙可调的半导体材料,因具有制备成本低、结构与性能稳定、环境友好等特点而备受关注。然而关于铌酸钾基铁电薄膜的制备、结构与物性的研究却相对较少。本项目将在已有工作基础上,以钡镍元素共掺形成的铌酸钾-铌镍酸钡薄膜为主要研究对象,围绕高质量铌酸钾-铌镍酸钡薄膜材料的关键制备技术;铌酸钾-铌镍酸钡薄膜的微结构与铁电、介电性能之间的关联;铌酸钾-铌镍酸钡薄膜漏电流的产生机制及其有效抑制方法;铌酸钾-铌镍酸钡铁电薄膜的光学性质;铌酸钾-铌镍酸钡铁电薄膜光伏器件的光电响应特性等内容进行重点攻关。项目的预期研究成果不仅对进一步了解高质量带隙可调无铅铁电薄膜结构与物性的关系、漏电流的形成机理与调控手段、影响材料光吸收与制约薄膜光伏器件光电响应的主要因素等基本科学问题具有重要意义,同时对促进该类材料在光电传感和光伏发电技术领域的应用也具有积极作用。
英文摘要
KNbO3-based ferroelectrics have been developed as a new type of narrow-bandgap semiconductor materials in recent years. They have triggered intense attention due to their many unique advantages, such as low cost, stable structure and performance, good photovoltaic properties and environmental friendliness. However, there are few studies on the preparation, structure and physical properties of the KNbO3-based ferroelectric films. Based on our previous work, this project focuses on the key preparation technique of barium and nickel co-doped potassium niobate (1-x)KNbO3-xBaNi0.5Nb0.5O3-δ (KN-xBNNO) thin films. We investigate the correlation between the microstructure and dielectric, ferroelectric properties. The formation mechanism of leakage current of the films and its effective suppression methods are studied. Then, we investigate the optical properties of KN-xBNNO thin films and fabricate ferroelectric photovoltaic devices to explore the photoelectric response behavior. The expected research results will help us to understand the correlation between the film microstructure and physical properties, the leakage current mechanism and regulation means, as well as the main factors that influence the light absorption and photoelectric response. In addition, the study in this project can also promote the application of this type of materials in the field of photoelectric sensing and photovoltaic power generation technology.
铌镍酸钡-铌酸钾([KNbO3]0.9[BaNi1/2Nb1/2O3]0.1,KBNNO)铁电半导体薄膜因具有窄带隙、稳定的光电输出和具有挠曲电效应特点,在铁电光伏、光电探测及能量收集等领域显示出重要的应用前景。但目前所报道的KBNNO薄膜存在光生电流低的问题,如果能够寻找一种全新的途径来实现动态、可逆调控增强KBNNO薄膜光电流将具有重要意义。基于此,该项目实施过程中提出尝试构建FTO/c-TiO2致密电子传输层/m-TiO2介孔电子传输层/ZrO2间隔层/KN-xBNNO薄膜/p-型NiO空穴传输层/Au金属电极多层光伏电池结构及在无机云母(Mica)衬底上探索生长柔性KBNNO薄膜,并结合原位电场极化以及由应变梯度引起的挠曲电场,实现对KBNNO铁电薄膜光电流的原位、动态、可逆调控,增强光电流输出以促进其在铁电光伏器件中的应用。主要研究内容与结果如下:1、首先以醋酸镍、硝酸镧为原料,通过溶胶凝胶(Sol-gel)的方法在Mica衬底上制备表面平整光滑,电阻率低的电极层LaNiO3 (LNO);接着以乙酸钾、乙酸钡、乙醇铌、乙酸镍为原料制备出了稳定的KBNNO前驱液,研究了不同退火温度对薄膜的结构及光电性能的影响规律,制备出高质量,弯曲曲率半径可达到3.9mm的KBNNO柔性铁电薄膜。结果表明:当退火温度为700°C时,未极化的KBNNO铁电薄膜表现出致密的形貌和优良的介电、铁电和光电性能。优化后的介电常数和损耗分别为309和0.13,剩余极化强度Pr和矫顽场EC分别为3.76µC/cm2和9.70kV/mm,短路电流密度达8.09μA/cm2;2、通过原位电场极化对KBNNO薄膜光电性能进行调控。在经过-9V极化后,短路电流密度从8.09μA/cm2提升至10.71μA/cm2,增强率为32%;3、通过原位电场极化结合挠曲电场极化对KBNNO薄膜光电性能进行调控。与未弯曲的原始状态相比,极化并弯曲的KBNNO柔性薄膜,其短路电流密度进一步增加到12.1μA/cm2,增强率为50%。这项工作为开发多功能柔性光电材料开辟了一条充满希望的道路。
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