晶格缺陷对BNT铁电薄膜光响应性能的影响

摘要

铁电薄膜的光伏效应在光探测、非破坏性光读取数据、光伏器件等方面体现出了广阔的应用前景，这引发了研究者的极大兴趣。然而到目前为止，铁电薄膜光伏效应的机理还存在争议。高质量的铁电薄膜是良好光响应的保证，然而通常制备出的铁电薄膜多为多晶结构，晶格缺陷广泛存在于多晶薄膜中。尽管人们对铁电薄膜光伏效应的可能影响因素做了大量的研究工作，但是晶格缺陷对铁电薄膜光响应性能的影响还有待进一步研究。本文采用面内光伏结构，从薄膜制备和薄膜服役两个角度着眼，研究晶格缺陷对 Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)铁电薄膜的光响应性能的影响。从制备角度，通过控制退火气氛和退火温度，引入本征晶格缺陷氧空位和晶界，研究其对BNT铁电薄膜光响应的影响；从服役角度，研究薄膜应用环境中表面吸附和载流子注入诱导的晶格缺陷演变对BNT薄膜光响应的影响。本论文主要的研究工作与结果如下：
　　1. BNT铁电薄膜面内光伏结构的制备与表征
　　首先，分别用脉冲激光沉积法和溶胶-凝胶法在 Si衬底上依次制备了 YSZ薄膜和BNT薄膜；然后，借助小型离子溅射仪在BNT薄膜面内制备了对称条形Pt电极，从而形成了BNT铁电薄膜面内光伏结构，即 Pt/BNT/YSZ/Si。并对制备出的BNT薄膜的微观结构、表面功函数、铁电性能和光响应性能进行了表征。
　　2.本征晶格缺陷对BNT铁电薄膜光响应性能的影响
　　首先，在不同退火气氛和退火温度下制备了BNT铁电薄膜，然后对所制备的BNT薄膜样品的微观结构和光响应性能进行了表征，研究了制备过程引入的氧空位和晶界对 BNT薄膜光响应性能的影响。研究结果表明，BNT薄膜中氧空位浓度越高，绝对光电导增大，而光开启电压大致相同，这归因于氧空位为光生载流子的传输提供了通道；随着退火温度的降低，光开启电压和饱和绝对光电导增大，这是因为高密度的晶界虽然阻碍了光生载流子的迁移，却有利于光生载流子在晶界处及时分开。
　　3.外场诱导的晶格缺陷演变对BNT铁电薄膜光响应性能的影响
　　通过将BNT薄膜样品在空气中长时间放置和在水平方向施加预注入电压，来改变薄膜的表面吸附态和薄膜中的缺陷态，研究了外场诱导的晶格缺陷演变对BNT薄膜光响应的影响。研究结果表明：BNT薄膜样品在空气中长时间放置后，表面功函数和光响应减小，这归于薄膜表面吸附了偶极子；随预注入电压增大，光响应先增大后减小，这是因为随预注入电压增大，缺陷能级分布发生了变化。通过热激发，表面吸附的偶极子和注入的载流子被消除，光响应性能恢复。

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第1章 绪论

1.1 铁电材料光伏效应概述

1.2 晶格缺陷对光生载流子输运特性的影响

1.3 本论文的选题依据和主要内容

第2章 BNT铁电薄膜面内光伏结构的制备及表征

2.1 BNT铁电薄膜面内光伏结构的制备

2.2 BNT铁电薄膜面内光伏结构的表征

第3章 本征晶格缺陷对BNT铁电薄膜光响应性能的影响

3.1 氧空位对BNT铁电薄膜光响应性能的影响

3.2 晶界对BNT铁电薄膜光响应性能的影响

3.3 本章小结

第4章 外场诱导的晶格缺陷演变对BNT铁电薄膜光响应性能的影响

4.1 表面吸附对BNT铁电薄膜光响应性能的影响

4.2 注入载流子对BNT铁电薄膜光响应性能的影响

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1论文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

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