浓度梯度掺杂实现BiFeO_(3)薄膜自极化

BiFeO_(3)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,为高温应用提供了可能。受到衬底强烈的夹持效应、较大的矫顽场和漏电流的影响,BiFeO_(3)薄膜难以被极化。自极化是解决这一问题的可行方法。本研究采用溶胶-凝胶法在Pt(111)/Ti/SiO_(2)/Si衬底上生长了BiFeO_(3)薄膜,向上梯度薄膜(从衬底BiFeO_(3)过渡到薄膜表面Bi_(0.80)Ca_(0.20)FeO_(2.90))以及向下梯度薄膜(从衬底Bi_(0.80)Ca_(0.20)FeO_(2.90)过渡到薄膜表面BiFeO_(3))。通过细致地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BiFeO_(3)薄膜中,Ca的梯度方向可以调控自极化的方向。此外,类似二极管的单向导通特性验证了薄膜的自极化是由Ca的浓度梯度掺杂导致。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造成自极化现象的原因。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。