專利名稱：在SrTiO₃襯底上調(diào)控多鐵鐵酸鉍外延薄膜帶隙的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新型材料光伏應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)計(jì)一種能與SrTiO3襯底形成大晶格失配度的富Bi組分BiFeO3外延薄膜，通過(guò)改變薄膜厚度去靈活調(diào)節(jié)薄膜面內(nèi)的雙軸應(yīng)力，從而有效調(diào)控多鐵鐵酸鉍外延薄膜的帶隙。
背景技術(shù)：
多鐵BiFeO3作為一種室溫多鐵材料而獲得廣泛的關(guān)注。其鐵電性和反鐵磁的共存以及此二者的相互耦合，使這種材料通過(guò)電場(chǎng)能控制其內(nèi)在的反鐵磁排列以及通過(guò)磁場(chǎng)能改變鐵電極化方向，這為自旋電子學(xué)、多態(tài)信息存儲(chǔ)、傳感器器件等的實(shí)際應(yīng)用提供一種全新的途徑。除了在信息存儲(chǔ)等方面的應(yīng)用外，BiFeO3(鐵酸鉍)在光伏器件方面也表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性，比如光致伸縮效應(yīng)、開關(guān)鐵電二極管、光伏效應(yīng)等。其中最為吸引人的就是光伏效應(yīng)，其機(jī)理有別于傳統(tǒng)意義上的光伏太陽(yáng)電池(如硅基太陽(yáng)電池)-其抽離光生 電子空穴對(duì)所需的內(nèi)建電勢(shì)是由疇壁處鐵電極化的不連續(xù)形成的，與pn結(jié)中情形大為不同。只要疇壁類型相同，沿垂直于疇壁方向得到的開路電壓只取決于疇壁的數(shù)量或者材料的尺寸，因此BiFeO3這種新型光伏材料能獲得遠(yuǎn)大于其帶隙(_2.7eV)的開路電壓。目前，BiFeO3的開路電壓在200um的尺度上能達(dá)到幾十伏，而且這種光生伏特效應(yīng)能被其內(nèi)在鐵電極化所調(diào)控，即通過(guò)改變BiFeO3鐵電極化方向就能操控其開路電壓的極性。美中不足的是，BiFeO3光伏轉(zhuǎn)換效率還不夠高，這極大地制約了其實(shí)用化進(jìn)程。造成BiFeO3光伏轉(zhuǎn)換效率不高的一個(gè)重要原因是其帶隙7eV)較大，只能對(duì)紫外至藍(lán)綠光范圍的光譜產(chǎn)生響應(yīng)，而這部分光只占太陽(yáng)光譜的很少一部分。為進(jìn)一步提高BiFeO3的光伏轉(zhuǎn)換效率，一個(gè)非常有效的方法是減小其帶隙，以便大幅拓寬其光譜響應(yīng)范圍。為此，本發(fā)明提供的一種在SrTiO3襯底上調(diào)控BiFeO3薄膜帶隙的方法，該方法能大范圍地調(diào)節(jié)BiFeO3薄膜帶隙，從而使BiFeO3薄膜的光學(xué)響應(yīng)從藍(lán)綠光波段(或者更短波長(zhǎng))擴(kuò)展到紅光光譜范圍，為增強(qiáng)BiFeO3薄膜的光伏轉(zhuǎn)換效率提供一種切實(shí)可行的路徑。此外，本發(fā)明提供的調(diào)控BiFeO3外延薄膜帶隙的方法簡(jiǎn)單實(shí)用，易于大規(guī)模采用，這對(duì)于多鐵BiFeO3光伏響應(yīng)器件的開發(fā)具有極其重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)當(dāng)前多鐵BiFeO3帶隙較大，所吸收的光譜范圍狹窄，因而光伏轉(zhuǎn)換效率較低的缺點(diǎn)，本發(fā)明的主要目的在于提供一種通過(guò)應(yīng)力調(diào)節(jié)BiFeO3帶隙，進(jìn)而增強(qiáng)其光伏轉(zhuǎn)換效率的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明提供一種在SrTiO3襯底上調(diào)控多鐵鐵酸鉍外延薄膜帶隙的方法，包括如下步驟I)選擇一鈦酸鍶襯底；2)在SrTiO3襯底上生長(zhǎng)一種富Bi組分的BiFeO3外延薄膜；3)控制BiFeO3外延薄膜中Bi與Fe的原子百分比，調(diào)節(jié)BiFe03外延薄膜與SrTi03襯底的晶格失配度；4)控制生長(zhǎng)富Bi組分的BiFeO3外延薄膜的厚度，調(diào)節(jié)BiFeO3外延薄膜的面內(nèi)雙軸應(yīng)力。通過(guò)上述技術(shù)方案可 以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I)通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)BiFeO3外延薄膜的厚度，能精確地控制薄膜的雙軸壓應(yīng)力大小，從而使其帶隙在2. OeV至2. 7eV范圍內(nèi)靈活可調(diào)。這種方法可以將BiFeO3薄膜的光學(xué)響應(yīng)從藍(lán)綠光波段大幅擴(kuò)展至紅光光譜范圍，為增強(qiáng)其光伏轉(zhuǎn)換效率提供了全新途徑。2)本發(fā)明提供的技術(shù)途徑方法簡(jiǎn)單，與現(xiàn)有生長(zhǎng)工藝及后處理工藝完全兼容，易于大規(guī)模推廣應(yīng)用。


為使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案，有益效果更加清楚明顯，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中圖I是本發(fā)明提供的在SrTiO3襯底上調(diào)控多鐵BiFeO3外延薄膜帶隙的原理示意圖。圖2是本發(fā)明所提供的富Bi組分BiFeO3外延薄膜的x射線衍射譜，內(nèi)插小圖為phi掃描結(jié)果。圖3是本發(fā)明所提供的富Bi組分BiFeO3外延薄膜帶隙與面內(nèi)雙軸應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系O
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖I所示，本發(fā)明提供一種在SrTiO3襯底上調(diào)控多鐵BiFeO3外延薄膜帶隙的方法，包括如下步驟I)選擇一 SrTiO3襯底。所選襯底為(001)取向。首先，該SrTiO3襯底需先進(jìn)行預(yù)退火處理，預(yù)退火溫度設(shè)定為850-1000°C，預(yù)退火在一個(gè)大氣壓的流動(dòng)氧氣氛下進(jìn)行，預(yù)退火時(shí)間設(shè)定為1-3小時(shí)；其次，經(jīng)過(guò)預(yù)退火處理的SrTiO3襯底需經(jīng)過(guò)表面腐蝕處理，腐蝕液為氫氟酸和氟化銨的緩沖溶液，緩沖溶液的PH設(shè)定為3. 5-5. 5，腐蝕時(shí)間為20-60秒；最后，經(jīng)過(guò)氫氟酸緩沖液腐蝕過(guò)的SrTiO3襯底，需進(jìn)行后退火處理，后退火溫度設(shè)定為850-1000°C，后退火在一個(gè)大氣壓的流動(dòng)氧氣氛下進(jìn)行，后退火時(shí)間設(shè)定為1-3小時(shí)。2)在SrTiO3襯底上生長(zhǎng)一種富Bi組分的BiFeO3外延薄膜。該富Bi組分多鐵BiFeO3外延薄膜是利用磁控濺射生長(zhǎng)方法制備。該BiFeO3外延薄膜的原子摩爾比為Bi Fe = 1.00-1. 15 1，生長(zhǎng)溫度為500_780°C，生長(zhǎng)氣體為體積比為4 I的氬氣和氧氣，生長(zhǎng)時(shí)腔壓為O. 5Pa，生長(zhǎng)功率為65-250W，BiFeO3靶材與SrTiO3襯底距離為3_15cm，生長(zhǎng)完成后進(jìn)行IOPa以上高氧氣氛退火。該富Bi組分BiFeO3外延薄膜與SrTiO3襯底之間的晶格失配度不高于4%，薄膜厚度變化的范圍為Inm-I μ m，其相應(yīng)的雙軸應(yīng)力調(diào)控范圍為Ο-llGPa，帶隙調(diào)控范圍為2. 0-2. 7eV。3)控制BiFeO3外延薄膜中Bi與Fe的原子百分比，達(dá)到調(diào)節(jié)BiFeO3外延薄膜與SrTiO3襯底的晶格失配度。Bi與Fe的原子百分比通過(guò)濺射靶組分及生長(zhǎng)溫度來(lái)控制，其中濺射靶原子摩爾比Bi Fe = I. 00-1. 20 1，生長(zhǎng)溫度變化范圍為500_780°C。
4)控制生長(zhǎng)富Bi組分的BiFeO3外延薄膜的厚度，達(dá)到調(diào)節(jié)BiFeO3外延薄膜的面內(nèi)雙軸應(yīng)力。厚度通過(guò)生長(zhǎng)速率與濺射時(shí)間來(lái)控制，其中生長(zhǎng)速率變化范圍為O. 5納米/分鐘至5納米/分鐘，濺射時(shí)間范圍為I分鐘至3小時(shí)。實(shí)施效果按照上述實(shí)施例的工藝條件，通過(guò)調(diào)節(jié)SrTiO3襯底上的富Bi組分BiFeO3外延薄膜的厚度，能大幅改變這種富Bi組分BiFeO3外延薄膜的雙軸應(yīng)力大小，通過(guò)這種雙軸應(yīng)力的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)對(duì)其帶隙的靈活調(diào)控。本發(fā)明提供的調(diào)控BiFeOj^膜的帶隙的方法能將BiFeO3薄膜光學(xué)響應(yīng)從藍(lán)綠光擴(kuò)展至的紅光范圍，為增強(qiáng)BiFeO3薄膜的光伏轉(zhuǎn)換效率提供了全新途徑。下面以組分為Biu7Fea93O3的薄膜為例，說(shuō)明本發(fā)明所提出方法的具體實(shí)施效果。具體方法如圖I所示，圖I所示方法可簡(jiǎn)單歸納為(I)選擇襯底；(2)利用合適工藝進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)；(3)控制薄膜組分為Bi : Fe = 1.07 : O. 93 ; (4)控制膜厚以調(diào)節(jié)面內(nèi)雙軸應(yīng)力 進(jìn)而調(diào)控帶隙。圖2是本發(fā)明所提供的生長(zhǎng)在SrTiOJf底上的Bihtl7Fea93O3外延薄膜的XRD圖譜。從XRD結(jié)果看，我們的富Bi組分BiFeO3薄膜(001)擇優(yōu)取向，且不存在任何其他的雜相。插圖為對(duì)應(yīng)的Ph掃描圖譜，顯示Biu7Fea93O3薄膜與SrTiO3襯底間具有確定的外延關(guān)系。以上結(jié)果說(shuō)明盡管我們的BiFeO3為富Bi組分，但晶體結(jié)構(gòu)并為發(fā)生變化，晶體質(zhì)量仍比較
理相圖3是本發(fā)明提供的Bihtl7Fea93O3外延薄膜帶隙與面內(nèi)雙軸應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從圖中可以看出，隨著薄膜雙軸應(yīng)力在0-10. 8GPa之間變化，帶隙大小在2. OeV到2. 7eV之間靈活可調(diào)。由圖中得到Bihci7Fea93O3外延薄膜帶隙的應(yīng)力系數(shù)為67meV/GPa，說(shuō)明其對(duì)應(yīng)力非常敏感，通過(guò)應(yīng)力來(lái)調(diào)控帶隙是一個(gè)非常便捷有效的方法。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在SrTiO3襯底上調(diào)控多鐵鐵酸鉍外延薄膜帶隙的方法，包括如下步驟 1)選擇一鈦酸鍶襯底； 2)在SrTiO3襯底上生長(zhǎng)一種富Bi組分的BiFeO3外延薄膜； 3)控制BiFeO3外延薄膜中Bi與Fe的原子百分比，調(diào)節(jié)BiFe03外延薄膜與SrTi03襯底的晶格失配度； 4)控制生長(zhǎng)富Bi組分的BiFeO3外延薄膜的厚度，調(diào)節(jié)BiFeO3外延薄膜的面內(nèi)雙軸應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在SrTiOJi底上調(diào)控多鐵鐵酸鉍外延薄膜帶隙的方法，其中富Bi組分多鐵BiFeO3外延薄膜是利用磁控濺射生長(zhǎng)方法制備。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在SrTiOJi底上調(diào)控多鐵鐵酸鉍外延薄膜帶隙的方法，其中BiFeO3外延薄膜材料的原子摩爾比為Bi Fe = 1.00-1. 15 I。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的在SrTiO3襯底上調(diào)控多鐵鐵酸鉍外延薄膜帶隙的方法，其中磁控濺射生長(zhǎng)BiFeO3外延薄膜，其生長(zhǎng)溫度為500-780°C，生長(zhǎng)氣體為體積比4 : I的氬氣和氧氣，生長(zhǎng)時(shí)腔壓為O. 5Pa，生長(zhǎng)功率為65-250W，BiFeO3靶材與SrTiO3襯底距離為3-15cm,生長(zhǎng)完成后進(jìn)行IOPa以上高氧氣氛退火。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在SrTiOJi底上調(diào)控多鐵鐵酸鉍外延薄膜帶隙的方法，其中富Bi組分BiFeO3外延薄膜與SrTiO3襯底形成的晶格失配度不高于4%。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在SrTiOJf底上調(diào)控多鐵鐵酸鉍外延薄膜帶隙的方法，其中控制生長(zhǎng)富Bi組分的BiFeO3外延薄膜厚度變化的范圍為Inm-I μ m，其相應(yīng)的雙軸應(yīng)力調(diào)控范圍為0-llGPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在SrTiOJi底上調(diào)控多鐵鐵酸鉍外延薄膜帶隙的方法，其中BiFeO3外延薄膜的帶隙調(diào)控范圍為2. 0-2. 7eV。
全文摘要
一種在SrTiO3襯底上調(diào)控多鐵鐵酸鉍外延薄膜帶隙的方法，包括如下步驟1)選擇一鈦酸鍶襯底；2)在SrTiO3襯底上生長(zhǎng)一種富Bi組分的BiFeO3外延薄膜；3)控制BiFeO3外延薄膜中Bi與Fe的原子百分比，調(diào)節(jié)BiFeO3外延薄膜與SrTiO3襯底的晶格失配度；4)控制生長(zhǎng)富Bi組分的BiFeO3外延薄膜的厚度，調(diào)節(jié)BiFeO3外延薄膜的面內(nèi)雙軸應(yīng)力。
文檔編號(hào)H01L31/18GK102723400SQ201110458268
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者付振, 吳金良, 尹志崗, 張興旺, 張漢, 陳諾夫 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所