浓度梯度掺杂实现的自极化BiFeO_(3)薄膜(英文)

作者：戴乐; 刘洋; 高轩; 王书豪; 宋雅婷; 唐明猛; 刘丽莎^*; 汪尧进^*

来源：无机材料学报, 2023, 1-12.

• 自极化
• 梯度掺杂
• 铁酸铋薄膜
• 溶胶-凝胶法

BiFeO3是一种非常有前途的无铅铁电材料，与大多数传统铁电材料相比，它具有更大的极化和更高的居里温度，为潜在的高温应用提供了途径。受到衬底强烈的夹持效应、较大的矫顽场和漏电流的影响，BiFeO3薄膜难以被极化。自极化是解决这一问题的可行方法，即薄膜中的铁电极化自发排列，不需要外加电场激励。通常，内置电场是导致薄膜自极化现象的重要因素，内置电场的起源有很多种，包括缺陷、挠曲电和界面电极效应等。本研究采用溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO2/Si衬底上生长了BiFeO3薄膜，向上梯度薄膜(从衬底BiFeO3过渡到薄膜表面Bi0.80Ca0.20FeO2.90)以及向下梯度薄膜(从衬底Bi0.80Ca0.20FeO2.90过渡到薄膜表面BiFeO3)。通过细致的调控薄膜内部缺陷的定向分布，形成内置电场从而导致薄膜具有自极化特性。压电力显微镜结果表明：在BiFeO3薄膜中，Ca的梯度方向可以对自极化的方向进行调控。此外，类似二极管的单向导通特性验证了薄膜的自极化是Ca的浓度梯度掺杂导致的。X射线光电子能谱结果表明，氧空位的梯度分布导致的内置电场可能是导致自极化现象的原因。本研究为实现铁电薄膜的自极化提供了一种新的策略，并在以自极化的内置电场为驱动，提高光伏或光敏器件性能方面具有潜在的应用前景。

• 单位
  南京理工大学