PLZT薄膜的合成及其光伏效应

【摘要】：自从1920年发现罗息盐铁电晶体以来,铁电薄膜材料由于其优异的铁电、热释电和光电性能等得到了广泛的关注,并在器件应用方面具有良好的发展前景。锆钛酸铅镧(PLZT)是以锆钛酸铅(PZT)为基体,掺入镧La而形成的铅基复合钙钛矿型(ABO3)型铁电晶体,其化学式为(Pb1-xLax)(ZryTi1-y)1-x/4O3。PLZT作为最具发展前景的铁电材料之一,在半导体工业、微存储器、热释电红外探测器、铁电场效应管、微机械等方面都有着重要的应用。PLZT铁电性质对La含量的变化非常敏感,且其介电性能受La含量变化的影响很大,近期又发现,PLZT具有良好的光电特性,在新能源器件方面具有潜在的应用前景。 本文用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)在不同衬底上制备了不同La含量的PLZT薄膜,研究了制备样品的结构、电学性质、光学性质以及光生伏特效应。主要研究成果如下： (1)用Sol-Gel法成功配制了不同La含量的PLZT材料的前驱体溶液,通过快速热退火(RTP)在不同衬底上制备了一定厚度的PLZT薄膜,包括Si(100)衬底、Si02/Si(100)和LaNi03(LNO)/Si衬底上的PLZT薄膜。研究了衬底和退火温度对薄膜的影响。 (2)利用X射线衍射图谱(XRD)对制备的样品进行了结构研究,分析了不同衬底和退火温度对PLZT薄膜结构的影响。研究发现,600℃退火温度下LNO/Si衬底上的PLZT薄膜具有很好的结晶,衍射峰增强,呈现(100)和(200)的择优取向,并且发现薄膜同时具有三方相和四方相。 (3)对制备的PLZT样品进行了铁电性质和介电性质的测试。LNO/Si衬底上的PLZT薄膜的电滞回线(PE)随着La掺杂量的减小逐渐宽化,剩余极化Pr和矫顽电场Ec均随着La含量的增加而逐渐减小,这与其他文献中的结果是一致的。在外加偏压为40V时,La含量为1%的PLZT薄膜的剩余极化强度和矫顽电场的值分别为39.2μC/cm-2和5.36kV/cm;C-F曲线显示,当频率小于200kHz时,La掺杂较高的样品的Cp更大,这可能是因为掺入少量的La改善了原薄膜晶体的生长,晶粒尺寸长大从而导致电容的变大；同时,Tanδ-F曲线显示La掺杂量的增加会使薄膜的漏电变大。 (4)利用拉曼(Raman)光谱、椭圆偏振光谱和红外光谱分析了样品的光学性质。通过椭偏测试拟合出了PLZT薄膜的折射率n、消光系数k,并进一步得到了样品的吸收系数a和禁带宽度Eg。椭偏测试显示n、k和α均随着波长的增大而减小,并最终趋近于一个恒定值,在可见光范围(600nm)内,折射率大约为3.15,拟合出的禁带宽度约为3.9eV;LNO衬底上样品的Raman图谱显示,PLZT薄膜具有代表四方相的E(3TO)、A1(3TO)和A1(3LO)模式与代表三方相的R1模式,进一步确定了600℃退火后的PLZT薄膜同时具有三方相和四方相,这与XRD测试结果是一致的。 (5)通过对样品进行光伏特性测试发现,当La含量逐渐增加达到6%时,光生电压达到了极大值；当La含量进一步增加时,光生电压反而减小。光生电压的减小一方面可能是由于PLZT的晶格常数随着La含量的增加而逐渐减小,键能增加,束缚电子需要获得更高的能量才能成为自由电子；另一发面可能是由于当La含量到达一定值时,引入的氧空位和缺陷等增加了载流子的复合中心,减小了自由载流子的寿命,从而使光生电压减小。 【关键词】：PLZT薄膜 溶胶-凝胶法 光学性质 铁电性质 光伏效应
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O484.1
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-11
• 目录11-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 铁电材料概述13-14
• 1.2 铁电薄膜的制备方法14-18
• 1.2.1 金属有机物化学气相沉积(MOVCD)15-16
• 1.2.2 脉冲激光沉积(PLD)16
• 1.2.3 分子束外延法(MBE)16-17
• 1.2.4 溶胶-疑胶(So丨-gel)法17-18
• 1.3 锆铁酸铅镧(PLZT)材料概述18-23
• 1.3.1 锆钛酸铅镧的结构19-21
• 1.3.2 锆钛酸铅镧的研究现状及前景21
• 1.3.3 本论文的研究内容及意义21-23
• 第二章 PLZT薄膜的制备和结构23-38
• 2.1 PLZT薄膜的制备23-25
• 2.2 PLZT薄膜的XRD测试25-33
• 2.2.1 XRD测试简介25-26
• 2.2.2 Si衬底上的PLZT薄膜的XRD26-28
• 2.2.3 SiO_2/Si衬底上的PLZT薄膜的XRD28-29
• 2.2.4 LNO/Si衬底上的PLZT薄膜的XRD29-33
• 2.3 PLZT薄膜的铁电和介电特性33-37
• 2.3.1 电学测试简介33
• 2.3.2 PLZT薄膜的铁电特性33-36
• 2.3.3 PLZT薄膜的介电性能36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第三章 PLZT薄膜的光学性质38-46
• 3.1 PLZT薄膜的椭圆偏振光谱38-41
• 3.1.1 椭圆偏振光谱简介38-39
• 3.1.2 PLZT薄膜的椭圆偏振光谱测试分析39-41
• 3.2 PLZT薄膜的红外光谱41-43
• 3.2.1 傅立叶变换红外光谱(FTIR)简介41-42
• 3.2.2 PLZT薄膜的红外光谱测试分析42-43
• 3.3 PLZT薄膜的拉曼(Raman)光谱43-44
• 3.3.1 拉曼(Raman)光谱简介43
• 3.3.2 PLZT薄膜的Raman光谱测试分析43-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第四章 PLZT薄膜的光伏效应46-55
• 4.1 P-N结的光伏效应简介46-48
• 4.2 PLZT薄膜的光伏效应48-51
• 4.3 PLZT薄膜光伏效应测试结构设计51-52
• 4.4 PLZT薄膜的光伏效应测试及分析52-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第五章 总结与展望55-58
• 参考文献58-62
• 致谢62-63
• 攻读学位期间发表的学术论文目录63

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