摘要: 铁电材料因为其铁电、介电和压电性质，在电容、热敏元件和传感器方面有很多的应用。现在，关于铁电材料的各种理论已经非常成熟，发现的铁电晶体也达到一千多种。过去对铁电材料的应用主要是利用它们的压电性、热释电性和电光性能。由于新铁电材料和... 展开 铁电材料因为其铁电、介电和压电性质，在电容、热敏元件和传感器方面有很多的应用。现在，关于铁电材料的各种理论已经非常成熟，发现的铁电晶体也达到一千多种。过去对铁电材料的应用主要是利用它们的压电性、热释电性和电光性能。由于新铁电材料和薄膜工艺以及纳米技术的发展，近年来新型低维铁电材料引起了人们广泛的关注。铁酸铋是现阶段发现的唯一一种在室温下同时具有铁电性和反铁电性的铁电材料。相比于其他铁电材料而言，铁酸铋的带隙较低，其粉末带隙一般在2.3eV，而薄膜带隙一般在2.6eV。这使铁酸铋的光电响应在一众铁电材料中脱颖而出。一般的铁电材料带隙比较大，只吸收紫外光，不吸收可见光，而铁酸铋可以吸收可见光。铁电材料的可以通过自发极化将光生电子-空穴对分离，从而产生光伏效应。并且由于其开路电压的大小不受带隙的限制，有望突破太阳能转换效率的理论极限，因而在光伏领域有很大的应用潜力。还可以利用分离的电子-空穴对在样品表面发生氧化或还原反应，从而达到光催化的效果。针对铁酸铋这些性质，本文做了以下研究工作： 1、通过溶胶-凝胶法制备了铁酸铋(BiFeO3)和不同锰掺杂浓度的铁酸铋粉末样品(BiFe1-xMnxO3，x=0.05，0.10和0.15)。XRD表明500℃下烧结的样品反应不完全，而630℃制备的样品则与pdf标准卡片匹配。Mn4+的掺杂并没有改变晶格结构。通过SEM可以观察到，随着烧结温度的升高，晶粒尺寸也随之变大，但是Mn4+的掺杂可以有效减小晶粒尺寸。根据吸收谱计算带隙表明，纯的BiFeO3样品带隙在2.17eV，但是掺杂Mn4+的样品带隙减小至2eV以下，最小可达到1.88eV，吸收谱表示，Mn4+的掺杂增强了晶体场跃迁的吸收强度。XPS的结果证明样品非常洁净，没有受到其他元素的污染。通过对比发现，掺杂导致Bi4f的峰位向低结合能偏移。而光降解实验表明，未掺杂的BiFeO3对罗丹明B几乎没有降解能力，而当Mn4+的掺杂含量达到5%时，降解能力得到明显的提升。 2、通过溶胶-凝胶法制备了不同钇掺杂浓度的铁酸铋粉末样品(Bi1-xYxFeO3，x=0.03,0.05,0.10,0.20,0.30)。XRD表明随着Y3+掺杂浓度的增加，衍射峰位有明显的向右移动。同样SEM表明，Y3+的掺杂使晶粒的尺寸减小至160nm左右。通过吸收谱计算带隙发现，20%Y3+掺杂会使样品的带隙降低至2.07eV。XPS表明随着掺杂浓度的增加，氧空位的比例明显增加。氧空位在光催化反应中起着至关重要的作用。氧空位可以作为禁带中的缺陷能级，起到减小带隙的作用。并且可以作为一个陷阱，阻止电子-空穴对的复合。而通过光化学反应对罗丹明B的降解，发现，20%Y3+掺杂的样品降解效果最好，光照时间1.5h罗丹明B的降解率就达到90%以上。 3、通过溶胶-凝胶法在FTO(SnO2:F)上旋涂制备了掺杂钕的铁酸铋(BiFeO3:Nd)薄膜。在空气氛围下，不同的退火温度(500,550,600℃)制备的双层BiFeO3:Nd薄膜样品都获得了与标准PDF卡片匹配的晶体结构。随着退火温度的升高，衍射峰强度也逐渐增强。针对550℃制备的样品，重点研究了样品的拉曼光谱。通过测试变温的拉曼光谱(80K-700K)，随着测试温度降低，拉曼衍射峰变强，半高宽变小，峰位向高频偏移。随着测试温度升高，峰形变宽，强度变弱，有些拉曼模失去活性，当温度达到700K时，拉曼响应仍属于R3c点群，证明了样品的稳定性。 4、通过溶胶-凝胶法在FTO(SnO2:F)上旋涂制备了掺杂钕的铁酸铋(BiFeO3:Nd)薄膜。分别在空气氛围和氧气氛围下退火，制备了2层、4层的薄膜样品。氧气和空气氛围退火的不同厚度的样品均得到立方钙钛矿结构的样品，与标准卡片对比发现，除衬底的峰外没有杂峰产生。与空气氛围下制备的样品相比，氧气氛围下制备的样品(100)的衍射峰强度明显变强。通过透射谱可以发现，氧气氛围下制备的样品的带隙要低于空气氛围下制备的样品。根据XPS的分析可以发现，样品的表面成分由Fe、Bi、Nd、C、O等元素组成，没有其他元素的污染。通过Fe2p的峰可以发现样品中的Fe是以Fe2+和Fe3+的混合价态存在，主要为Fe3+。而通过O1s的窄谱扫描发现，氧元素有三种存在形式，分别为晶格氧，缺陷氧和表面吸附的氧。缺陷氧的含量增高会引起漏电流的增大，从而影响光电流的产生。在氧气氛围下退火的双层薄膜在光照条件下光电流得到明显提升。 收起