铁酸铋薄膜的掺杂改性与光伏效应研究进展

铁酸铋在室温下同时具有铁电、铁磁性能,是目前最具应用前景的无铅多铁性材料,为了实现器件应用,开展铁酸铋薄膜制备及掺杂改性研究十分重要。最近,铁酸铋薄膜的光伏效应及太阳能电池应用受到广泛关注。本文介绍了铁酸铋的晶体结构、铁电性能和铁酸铋薄膜的制备方法。重点总结了铁酸铋薄膜替位掺杂及其光伏效应研究的最新进展,最后指出有关研究存在的问题和未来的重点研究方向。     

La/Nb掺杂对Bi_4Ti_3O_(12)薄膜铁电性能和疲劳特性的影响

采用溶胶–凝胶工艺(sol–gel)在Pt/Ti/SiO2/p-Si衬底上分别制备Bi4–xLaxTi3O12和Bi4Ti3–yNbyO12铁电薄膜,研究La/Nb掺杂对Bi4Ti3O12薄膜铁电性能和疲劳特性的影响。结果表明:La/Nb掺杂均能有效改善Bi4Ti3O12薄膜的铁电性能和疲劳特性。当La摩尔(下同)掺量在0.5～0.75时,La掺杂对Bi4Ti3O12薄膜的性能改善作用最好,而且在明显提高薄膜铁电性能的同时,对薄膜疲劳特性的改善更加显著,薄膜经1010极化反转后,其剩余极化强度(Pr)仅下降5.1%。Nb掺杂对提高薄膜铁电性能的作用更加明显,Nb掺量为0.06时,Bi4Ti3–yNbyO12薄膜的Pr高达18.7μC/cm2,但Nb掺量不宜过多,当Nb掺量超过0.06以后,薄膜的铁电性能和疲劳特性均反而有所下降。     

锌锰共掺杂铁酸铋磁性和光催化性能研究

通过溶胶-凝胶法合成了锌锰共掺杂铁酸铋（BiFeO3）纳米粉体。锌锰共掺杂使得铁酸铋粉体的晶体结构从R3c三角晶型转变成了P4mm立方晶型。样品中的铋、铁均为+3价,掺杂的锰和锌分别以+4价和+2价的价态存在。5%锰掺杂（原子数分数）未对铁酸铋的微观形貌产生显著影响,锌的引入则使得样品的颗粒尺寸增加。锌锰共掺杂铁酸铋的磁性随着锌掺杂量的增加而减弱,使得铁酸铋在可见光区的吸收显著增强。对样品光催化测试结果显示,5%锰和2.5%锌共掺杂（原子数分数）铁酸铋样品具有最好的光催化活性。     

铋层状结构铁电材料的性能与改性研究

铋层状材料具有优良的铁电性能,本文介绍了铋层状材料的结构及其特点,并且综述了其铁电性能(疲劳性能、压电性能)的研究现状、存在的问题.介绍了几种铋层状结构材料改性的工艺措施(热铸法、模板定向生长技术、掺杂).     

Ni掺杂对铋层状钙钛矿Bi_6Fe_2Ti_3O_(18)薄膜微结构及铁电性能的影响

利用化学溶液沉积法在Pt/Ti/SiO_2/Si(100)基片上制备了Bi_6Fe_(2–x)Ni_xTi_3O_(18)(x=0,0.5,1.0,1.5)薄膜,研究了不同Ni掺杂量对Bi_6Fe_2Ti_3O_(18)薄膜微结构和铁电性能的影响。X射线衍射和Raman光谱测试结果表明:当Ni掺杂量x=1.5时,薄膜仍能保持单相结构,晶格畸变和薄膜压应力随Ni掺杂量分别逐渐增大和减小。Ni掺杂薄膜具有Aurivillius相陶瓷材料典型的不规则扁平状颗粒。随着Ni掺杂量逐渐增加,薄膜的P_s和P_r先增大后减小,而Ec和漏电流逐渐增大。Ni掺杂导致的Bi_6Fe_2Ti_3O_(18)薄膜晶格畸变增加,薄膜压应力减小和氧空位浓度增加是引起薄膜铁电性能变化的主要原因。     

氧化铜/钒酸铋异质结薄膜的制备及其光电性能研究

采用电化学沉积法在FTO玻璃上制备了具有纳米多孔网状结构的氧化铜/钒酸铋薄膜。利用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）对薄膜做成分及结构分析,采用线性伏安扫描（LSV）、频率阻抗测试（EIS）对薄膜做光电性能测试。氧化铜的掺入能够提高钒酸铋薄膜的光电性能,在1.23 Vvs.RHE时,40 mmol/L 氧化铜/钒酸铋薄膜的光电流密度为1.39 mA/cm²,比纯钒酸铋薄膜的光电流密度（0.7 mA/cm²）增大了1倍左右。结果表明,纳米多孔的网状结构,提高了薄膜对光的利用效率,同时也增加了薄膜和电解液的接触面积。氧化铜和钒酸铋复合形成异质结后,抑制了光生电子-空穴对的复合,从而提高了氧化铜/钒酸铋薄膜的光电流密度。     

钽镁酸钡缓冲层对锆钛酸铅铁电薄膜性能的影响

采用溶胶–凝胶工艺在Pt/Ti/Si O2/Si基片上,通过引入钽镁酸钡[Ba(Mg1/3Ta2/3)O3,BMT]缓冲层,制备了锆钛酸铅[Pb(Zr0.52Ti0.48)O3,PZT]铁电薄膜。研究了BMT缓冲层对PZT铁电薄膜结晶和性能的影响。结果表明:引入BMT缓冲层利于PZT薄膜的生长;PZT薄膜具有钙钛矿结构,且没有裂纹、结晶良好、致密性好;缓冲层的厚度对PZT铁电薄膜的微观结构和铁电性能有重要影响。随BMT缓冲层厚度增加,PZT晶粒增大,介电损耗tanδ逐渐减少,介电常数εr和剩余极化强度Pr先增大后减少,矫顽场Ec先减少后增大。当BMT缓冲层厚约为10 nm时,PZT薄膜具有最优的铁电性能:εr=1 850,Pr=20.2μC/cm2,Ec=43.9 k V/mm。这与BMT与PZT具有相似的晶格常数、较小的晶格失配度和相近的禁带宽度有关。     

电化学Fe掺杂增强FTO薄膜的可见光光电化学性能

通过在Fe SO4溶液中将FTO(F掺杂SnO_2)导电玻璃电化学阴极极化,随后在500°C空气中热氧化,制备出对可见光有响应的Fe掺杂FTO薄膜。用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征了薄膜的形貌、结构和表面特性。在可见光下测试了薄膜在1.0 mol/L NaOH溶液中零偏压下的光电流-时间曲线。结果显示,电化学修饰后的FTO薄膜表面呈纳米多孔形貌,薄膜中有1%(原子分数)左右的Fe元素掺杂且存在正交结构SnO_2和四方结构SnO_2两种物相。Fe掺杂FTO的光电流密度为0.5μA/cm~2,比无Fe掺杂的FTO薄膜(0.019μA/cm~2)显著增强。     

含铋光催化材料的研究进展

含铋光催化材料因其能吸收可见光、催化活性高而具有广阔的应用前景。本文主要回顾了含铋光催化材料近年来的研究概况,详细介绍了铋氧化物、卤氧化铋及钛酸铋、钨酸铋、钒酸铋、钼酸铋、铁酸铋等光催化剂的结构、制备和光催化性能,重点对光催化性能的改进方法进行了综述,包括制备方法的改良、催化剂的掺杂改性及复合催化剂的制备等;最后针对进一步提高光催化剂整体性能、实现工业化应用两点,提出了未来可以利用多元元素掺杂、多元半导体复合进行改性和负载于某些载体制备整体催化剂进行改良的观点。     

Pb用量对锆钛酸铅薄膜微观结构和铁电性能的影响

在Pt/Ti/SiO2/Si基片上,通过多次匀胶旋涂-预热处理工艺制备了PbTiO3(PT)无机薄层夹心的锆钛酸铅(lead zirconate titanate,PZT)薄膜,然后经650℃退火处理得到了所需的具有钙钛矿结构的PZT铁电薄膜.用X射线衍射、原子力显微镜表征了PZT铁电薄膜微观结构,并测试铁电性能.结果表明:制备PT层时的Pb用量对得到的PZT铁电薄膜的微观结构和铁电性能有重要影响.当Pb过量15%(摩尔分数)左右时,得到的PZT铁电薄膜不仅晶界清晰,晶粒尺寸分布均匀,具有纯钙钛矿结构,而且铁电性能优异,剩余极化强度Pr=21μC/cm2,矫顽场Ec=37kV/cm.     

硅基铌掺杂Bi_4Ti_3O_(12)薄膜溶胶-凝胶工艺的制备及铁电性改善研究

采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法制备了铌元素(Nb)取代Ti元素的Bi4Ti3O12(BTN)铁电薄膜,研究不同掺杂浓度,不同退火温度等工艺对BTN薄膜的微观特性及剩余极化强度、矫顽场等电性能的影响。研究表明,650℃进行退火的BTN薄膜生长形态,晶粒开始呈棒状生长;当温度高于850℃时,薄膜的c轴生长取向增长趋势不再明显。铁电性方面,对Ti进行2%掺杂取代的BTN薄膜的铁电性能最佳。从而获得了BTN薄膜制备的合理工艺参数。     

铁酸铋光催化剂改性的研究进展

铁酸铋是一种钙钛矿型半导体光催化剂,因具有合适的光学带隙、良好的化学稳定性及可见光吸收性等特点而备受青睐.然而,铁酸铋的光生电子-空穴对复合率高,载流子效率较低,导致其光催化活性较弱,限制了其实际应用.在概述铁酸铋结构和光催化机理的基础上,该文着重综述了贵金属沉积、半导体复合、金属离子掺杂等铁酸铋改性方法的作用机理与研究进展,探讨了铁酸铋光催化剂未来的发展方向.     

铁酸铋光催化剂改性的研究进展

铁酸铋是一种钙钛矿型半导体光催化剂,因具有合适的光学带隙,良好的化学稳定性及可见光吸收性等特点而备受青睐。然而,铁酸铋的光生电子空穴对复合率高,载流子效率较低,导致其光催化活性较弱,限制了其实际应用。在概述铁酸铋结构和光催化机理的基础上,着重综述了贵金属沉积、半导体复合、金属离子掺杂等铁酸铋改性方法的作用机理与研究进展,探讨了铁酸铋光催化剂未来的研究方向。     

不同掺杂四氧化三钴对钴酸锂性能的影响研究

以氯化钴、氢氧化钠和掺杂元素的可溶解盐为原料,合成不同掺杂元素的四氧化三钴前驱体,进一步通过固相煅烧法制成钴酸锂正极材料并进行电性能测试。实验表明,通过湿法前移掺杂可以得到元素分布均匀的四氧化三钴;铝元素掺杂有利于钴酸锂层状结构的稳定,高温循环50圈后容量保持率高达94.6%;镁掺杂有利于比容量(198.6 mAh·g^-1)和倍率性能的提升;而铝镁锆多元素掺杂可以充分利用各元素的协同效应,材料的比容量和循环性能都有明显改善。     

铋掺杂对铌酸钾钠无铅压电陶瓷结构和性能的影响

用常压烧结法制备铋掺杂铌酸钾钠无铅压电陶瓷(K0.5Na0.5)1-3xBixNbO3(KNBN)。研究不同铋掺杂量对KNN陶瓷结构、形貌、致密度及电学性能的影响。结果表明:在1 120℃烧结的含铋量为1%(摩尔分数)的陶瓷表现出最好的铁电和压电性能及较好的介电性能,即压电常数最大121pC/N,P-E回线形状达到饱和,且剩余极化为12.67μC/cm2,矫顽场Ec为13.58kV/cm,介电常数为575,损耗为5.82%(频率为1kHz)。陶瓷样品在131℃从正交结构转变到四方结构,Curie温度为400℃。     

铁酸铋薄膜的阻变效应和导电机制

针对脉冲激光沉积法制备的铁酸铋薄膜展开研究,利用电流–电压(I–V)特性曲线表征样品的阻变现象,对样品施加不同极性、大小的电压,其I–V曲线呈现出不同高低阻值的变化。通过对I–V曲线拟合,发现样品的导电机制符合空间电荷限制电流。结合正向电压下从高阻到低阻的转变,负向电压下从低阻到高阻的转变规律,验证样品的阻变效应符合陷阱能级的填充和脱陷,即陷阱能级的填充程度不同导致电极与铁酸铋界面势垒高度不同从而导致薄膜阻值的变化。     

纳米级铋-钇铁柘榴石粉末的合成与烧结块材的铁磁共振性质

以共沉淀法制备了纳米级铋-钇铁柘榴石粉末,并压锭成块材进行微波测试,因钇铁柘榴石块材烧结温度》1400 ℃,无法顺利导入低温多层共烧陶瓷制程(LTCC),本研究以掺杂铋元素进入柘榴石晶体内的方式,使块材烧结温度大幅下降,同时不降低其在微波应用上的性质.实验结果显示,随着掺杂铋元素的增加,块材的烧结温度最大可降至850 ℃,而微波应用于滤波器的亚铁磁共振(Ferrimagnetic magnetic resonance)特性在测量后证实并未遭受破坏.     

钨离子掺杂对Ca0.7La0.3Bi4(Ti1-xWx)4O15陶瓷性能的影响

用固相法研究了钨离子(W6 )掺杂对铋层状钛酸铋钙镧[Ca0.7La0.3Bi4(Ti1-xWx)4O15,CLBTWx]陶瓷的铁电性能、介电性能和压电性能的影响,得到了W6 掺量与铋层状CLBTWx陶瓷性能的关系.用X射线衍射和扫描电镜研究了W6 掺量对铋层状CLBTWx陶瓷微观结构和物相的影响,探讨了W6 掺杂改性的机理.结果表明:随着W6 掺量的增加,CLBTWx陶瓷的介电常数(ε)先增大后减小;介质损耗(tanδ)先减小后增大;压电应变常数(d33)先增大后减小;剩余极化强度(Pr)先增大后减小然后再增大再减小;矫顽场(Ec)变化规律与Pr的相同.当W6 掺量为0.025mol时,可得到综合性能好的无铅铋层状CLBTWx陶瓷,其烧结温度为1 120～1 140℃时,CLBTWx陶瓷的ε=183.15;tanδ=0.00446;d33=14×10-12C/N;2Pr=26.7μC/cm2;2Ec=220kV/cm.该类材料适合于制备铁电随机存取存储器和高温高频压电器件.W6 掺杂从生成钙空位或铋空位、形成焦绿石相、促进陶瓷致密化、偏析晶界影响陶瓷晶粒的均匀生长等方面来影响铋层状CLBTWx陶瓷性能和结构.     

Ce掺杂Na_(0.25)K_(0.25)Bi_(2.5)Nb_2O_9-0.4wt%Cr_2O_3高温无铅压电陶瓷的研究

采用固相法制备了Na0.25K0.25Bi2.5Nb2O9-0.4wt%Cr2O3-xwt%CeO2(x=0.00~1.00)高温无铅压电陶瓷,研究了Ce掺杂对该系列陶瓷微观结构及电性能的影响。结果表明所有样品均为单一的铋层状结构陶瓷,适量的Ce掺杂明显改善了陶瓷的压电与铁电性能,降低了陶瓷的电导率和介电损耗。当掺杂量x=0.50时,样品具有最佳性能:d33=27 pC/N,tanδ=0.09%,kp=7.97%,Qm=2637,Tc=656℃,Ec=46 kV/cm和Pr=4.4μC/cm2,表明该材料在高温领域内具有良好的应用前景。     

Nd掺杂HfO2薄膜的分子束外延制备及铁电性

掺杂Hf O₂铁电薄膜在非易失性存储器件中的重要应用前景使其成为当前凝聚态物理与材料科学领域的一个研究热点。近年来，结果表明：La掺杂Hf O₂拥有优异的铁电性能，铁电剩余极化强度为45μC/cm²，是目前Hf O₂基薄膜材料中报道的最高值。由于Nd与La的化学性质相近，Nd掺杂同样有望增强HfO₂的铁电性，但相关研究工作却鲜有报道。使用氧化物分子束外延技术，在La_0.67Sr_0.33Mn O₃(底电极)/SrTiO₃(001)衬底上外延生长高质量Nd掺杂Hf O₂(Nd:HfO₂)薄膜。X射线衍射以及高分辨电镜表征结果均显示Nd掺杂有助于诱导Hf O₂从单斜相向正交相的转变，压电力显微镜和铁电测试仪进一步证实正交相Nd:Hf O₂具有良好的铁电性。此外，高分辨电子显微镜表征还发现Nd:Hf O_...