The study on electric conductivity and photovoltaic property of nickel-substituited bismuth ferrite prepared by hydrothermal synthesis

論文翻譯標題: 水熱法製備摻鎳之鐵酸鉍及其導電及光伏性質之研究
  • 黃 靖文

學生論文: Doctoral Thesis

摘要

近年來,鐵電光伏材料的研究越來越多,尤其以鐵酸鉍為最熱門的研究材料之一,但所有鐵電材料都具有相當大的電阻,若要應用於鐵電光伏上,首先需要提高其導電度,本研究的主要研究目標即是透過摻雜來增加鐵酸鉍的導電度。在本實驗中,以水熱法成?製備出鎳摻雜鐵酸鉍純相,並在鈮(Nb)摻雜之鈦酸鍶基板(NSTO)上成長鎳摻雜鐵酸鉍磊晶薄膜,比較冷壓塊材與磊晶薄膜間電性的差異。首先,本研究針對不同的水熱條件,包含水熱溫度、礦化劑KOH(Mineralizer)濃度等,尋找最適合鐵酸鉍成長的環境,發現在溫度200oC、KOH濃度為9M為最佳的鐵酸鉍成相條件,並摻雜少量的鎳離子(3%),經由TOPAS精修軟體進行擬合後,發現鎳摻雜鐵酸鉍的晶格體積增加,符合預期,而拉曼光譜的結果發現,鎳摻雜鐵酸鉍試片在高頻區段的鐵離子振動模式皆往低頻位置位移,亦可證實鎳離子有取代鐵離子;而透過電性的量測,發現鎳摻雜確實有助於鐵酸鉍電導率的提升,3%鎳摻雜可提升鐵酸鉍電導率兩個數量級,經由阿瑞尼斯方程式的擬合,未摻雜鐵酸鉍活化能約為0 95 eV,經過3%鎳摻雜鐵酸鉍活化能為0 8 eV,鎳摻雜降低了鐵酸鉍的電阻活化能,但皆屬於氧空缺的活化能範圍內(0 8-1 2 eV)。XPS結果說明了鎳摻雜後鐵酸鉍中Fe3+轉變為Fe2+,未摻雜的Fe2+/Fe3+為15 8/84 2,而3%鎳摻雜鐵酸鉍Fe2+/Fe3+為23 9/76 1,Fe2+的含量增加,為了維持整體晶格電中性,氧空缺濃度需增加以進行電荷補償,所以鐵酸鉍的導電機制源自於氧空缺;最後,我們量測鎳摻雜鐵酸鉍的光電性質,發現鎳摻雜使鐵酸鉍的電阻下降後,有利於整體光載子的提取,成?證實降低電阻確實有助於光電流的增加,未摻雜鐵酸鉍光電流約為0 92 uA/cm2,3%鎳摻雜鐵酸鉍光電流則為3 40 uA/cm2;此外,本實驗亦利用水熱法在NSTO基板上成長鐵酸鉍薄膜,因NSTO與鐵酸鉍的晶格匹配,能夠成長良好的磊晶薄膜,其照光的電流行為表現出類似p-n二極體的整流行為,且鎳摻雜對於其光電流的提升更加明顯,未摻雜鐵酸鉍光電流為12 uA/cm2,3%摻雜鐵酸鉍光電流則可達369 2 uA/cm2,但無論是在塊材或薄膜,均未觀察到明顯的開路電壓,僅照光後光電流提升,詳細機制尚待進一步探討
獎項日期2019
原文English
監督員Xiao-Ding Qi (Supervisor)

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