[發明專利]一種銪摻雜的鐵酸鉍薄膜及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201410097917.8
• 申請日: 2014-03-17
• 公開（公告）號: CN103938156A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 劉建;翟學珍;曹輝義;周文亮;楊平雄;褚君浩
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/28
• 代理公司: 上海麥其知識產權代理事務所(普通合伙) 31257
• 代理人: 董紅曼

技術領域

本發明涉及鐵電和光伏材料技術領域，具體提出一種稀土元素銪(Eu)摻雜的鐵酸鉍(BiFeO₃)薄膜及其制備方法和應用。

背景技術

太陽能是一種極為重要的可再生能源。目前，能夠被用來作為太陽能材料的主要有硅、III-V族化合物、銅銦鎵硒(CIGS)、染料敏化、聚合物等幾種物質。硅基太陽能電池已規?；a，但其光電轉換機制決定了只有能量超過帶隙的光才能產生電流，這導致了太陽能轉化的難題：小的帶隙能吸收更多光子，產生更大電流但電壓不足；而大的帶隙能產生更大電壓卻電流有限，大部分太陽光子不能被吸收，因而轉換效率也難以取得很大的提高。

鐵電體是具有自發極化的一種材料，而且在一定溫度范圍內，其自發極化偶極矩能隨外電場方向改變的一種材料。大多數鐵電材料兼具半導體性和鐵電性，鐵電材料所具有的光電轉換能力、高的輸出光生電壓、電場調控光伏的特性，使其在鐵電光伏電池、光驅動器、光傳感器等方面具有廣闊的應用前景。鐵電體的自發極化對于太陽能電池應用具有吸引力，因為由光吸收產生的正電荷和負電荷具有彼此分開的自然傾向，這使得它們更容易被高效收集。遺憾的是，在鐵電材料被應用在光伏領域中面臨兩個嚴峻的問題：其一，鐵電材料帶隙偏大。即便是在鐵電體材料中能帶最小的鐵酸鉍(BiFeO₃)，其帶隙也達到了2.8eV。因此，現有鐵電材料通常只吸收構成太陽光譜一小部分的高能光子。其二，薄膜結晶質量較差，導致薄膜容易漏電。

發明內容

針對現有技術鐵電材料帶隙大、薄膜易漏電等缺陷，本發明提供一種稀土元素銪(Eu)摻雜的鐵酸鉍(BiFeO₃)薄膜及其制備方法。根據本發明能夠實現制備能帶減小且薄膜結晶質量明顯改善的鐵電鐵酸鉍(BiFeO₃)薄膜，從而提高鐵電材料的光伏性能。通過本方法制備的薄膜，其禁帶寬度為2.6eV。本發明中采用脈沖激光沉積法在鎳酸鑭作為緩沖層的硅襯底上制備薄膜，所用原料成本低，實驗簡便，能有效將稀土銪元素均勻摻入，得到均勻致密薄膜，表面平均粗糙度約為2.0nm。

根據本發明的第一個方面，本發明提出一種銪摻雜的鐵酸鉍薄膜，包括襯底和靶材，所述靶材沉積在所述襯底上；其中，所述襯底是以鎳酸鑭為緩沖層的硅襯底，所述靶材組成式為Bi_1-xEu_xFeO₃，0≤x≤0.07。根據實際具體情況，x＝0、0.03、0.05或0.07。

根據本發明的第二個方面，本發明提出上述銪摻雜的鐵酸鉍薄膜的制備方法，通過傳統的固相反應方法制得不同Eu元素組分的Bi_1-xEu_xFeO₃濺射靶材，然后利用脈沖激光沉積法在鎳酸鑭(組成式為LaNiO3)做緩沖層的硅(元素符號為Si)襯底上制備得到相應的Bi_1-xEu_xFeO₃薄膜。本發明制備方法具體包括如下步驟：

a)預準備

以純度為99.99％的Bi_1-xEu_xFeO₃作為靶材，其中0≤x≤0.07；以鎳酸鑭作緩沖層的硅襯底作為襯底；

對所述襯底清洗，將所述靶材和所述襯底放置于鍍膜室內，調節鍍膜室壓強至5×10^-4Pa以下。

其中，選擇的襯底為鎳酸鑭作緩沖層的硅襯底，通過緩沖層的作用，可以使薄膜很好地生長在襯底上。

b)銪摻雜的鐵酸鉍薄膜的制備

對所述襯底加熱；以每分鐘10℃使所述襯底升溫至700℃；充入純度為99.99％的氧氣，調節氣體流量使濺射氣壓為10Pa；在溫度700℃，氧壓10Pa條件下保持10分鐘；

所述襯底反轉，所述靶材正轉；調節所述襯底和所述靶材的距離為6cm；

設置脈沖激光器，使激光能量為200mJ，激光頻率為10Hz；

開啟所述脈沖激光器進行薄膜沉積，沉積時間為60min；然后保溫30min；

以每分鐘20℃的速度降溫，至200℃時取出沉積得到的薄膜樣品，得到所述銪摻雜的鐵酸鉍薄膜。

其中，通過使襯底在溫度700℃，氧壓10Pa條件下保持襯底10分鐘，使襯底中的缺陷得到很好的修復。

其中，通過襯底和靶材自轉方向的不同，可以得到均勻致密的薄膜。