摘 要

铁酸铋是目前唯一的一种室温单相多铁性材料，其良好的光伏性能使其在非挥发存储、传感、催化和新能源等各个领域均有着广泛的应用及良好的发展前景。但由于铁离子易由三价变为二价以及铋的挥发导致的较大的漏电流问题依然限制着BFO薄膜的实际应用，因此必须寻求一种途径来改善其漏电流问题。

本文使用溶胶-凝胶旋涂法制备薄膜，通过热分析确定了薄膜各温度所发生的物理化学反应并据此探究了最优热处理工艺。尝试通过利用石墨烯掺杂改性来改善铁酸铋薄膜材料目前面临的较为严重的漏电流问题，研究了石墨烯的加入对铁酸铋薄膜各方面质量及性能的影响。得出的主要结论如下：

1. 溶胶-凝胶旋涂法制备BiFeO₃薄膜的最优热处理工艺为600 ℃退火温度下逐层退火。此工艺下制备的BiFeO₃薄膜不仅结晶良好，而且晶粒生长致密、尺寸均匀。

2.BiFeO₃薄膜进行石墨烯掺杂后晶体结构改变，薄膜的表面和断面形貌受到破坏。复合产物出现吸收边红移，并使禁带宽度减小，对可见光的吸收增强，光伏性能得到改善。

关键词：BiFeO₃薄膜，溶胶-凝胶法，石墨烯掺杂，光伏性能

Abstract

Ferroelectric thin films are an important class of functional thin films， with excellent ferroelectric， pyroelectric， piezoelectric and electro-optical effect，owning broad application prospects in microelectronics and optoelectronics fields. Bismuth ferrite as the only one temperature multiferroic material， has good ferroelectric performance， in all areas of non-volatile memory， sensing， catalysis and new energy and other fields have a wide range of applications. However， due to its price fluctuations， and Fe in the state large leakage current generation of oxygen vacancies caused by such a wide gap between the performance of the current situation BiFeO₃ film and application requirements.

This article was prepared BiFeO₃ film from start to study and optimize the preparation process， on the basis of doped graphene by way BiFeO₃ explore graphene doped film ferroelectric performance， and the main conclusions are as follows:

1. The use of sol - gel method BiFeO₃ modified graphene films studied the effect of heat treatment on BiFeO₃ film structure， morphology and properties of films obtained BiFeO₃ sol - gel method optimum. Sol concentration is controlled to 0.20 mol / L， layer by layer annealing at 600 ℃ annealing method， BiFeO₃ thin films were pure， was R3c space group structure， the film showed a dense growth of columnar structure.
2. We studied the structure and properties of graphene films on BiFeO₃ doping. The results show that: the  crystal structure of graphene doped BiFeO₃ film was changed， with the surface and cross section morphology of the films greatly damaged. The composite products appeared red shift absorption edge， and reduced the forbidden band width，then photovoltaic performance improved.

Key Words：BiFeO₃ films， sol-gel method， graphene doping，photovoltaic properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 1

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 铁电材料概述 1

1.2.1 铁电性的发现 1

1.2.2 铁电材料的性质 1

1.3 铁酸铋的研究 2

1.3.1 铁酸铋的结构 2

1.3.2 铁酸铋的光伏性能 3

1.3.3 铁酸铋薄膜的实际应用 4

1.3.4 铁酸铋薄膜材料的不足 5

1.4 石墨烯 5

1.4.1 石墨烯的结构及性能 5

1.4.2 氧化石墨烯结构及还原方法 6

1.5 本论文研究目的、内容及意义 7

第2章 石墨烯掺杂BiFeO₃薄膜制备与表征方法 8

2.1实验药品及实验仪器 8

2.1.1实验药品 8

2.1.2实验仪器 8

2.2测试技术分析 9

2.2.1 X射线衍射分析（X-ray Diffraction，XRD） 9

2.2.2场发射扫描电镜分析（FESEM） 10

2.2.3紫外-可见漫反射吸收光谱(UV-Vis-DRS) 10

2.3石墨烯掺杂铁酸铋薄膜的制备 10

2.3.1前驱体溶液的配制 10

2.3.2基片的准备 11

2.3.3氧化石墨烯的还原 12

2.3.4薄膜的制备 12

第3章 BiFeO₃薄膜的热处理工艺研究 13

3.1 退火方式的影响 14

3.1.1两种退火方式流程 14

3.1.2 XRD图谱比较 15

3.1.3 FESEM图谱比较 15

3.2退火温度的影响 16

3.2.1XRD图谱比较 17

3.2.2FESEM图谱比较 17

3.3本章小结 18

第4章 石墨烯掺杂BiFeO₃薄膜结构与光伏性能研究 19

4.1石墨烯掺杂对BiFeO₃薄膜结构的影响 20

4.1.1 XRD图谱分析 20

4.1.2 FESEM图谱分析 21

4.2 石墨烯掺杂BiFeO₃薄膜的光伏性能研究 22

4.3本章小结 22

第5章 结论 24

参考文献 25

致 谢 28

第1章 绪论

引言

近年来，随着中国经济的迅速发展，各类破坏环境、牺牲资源的环境不友好型行业也随之发展起来，造成了极为严重的资源和环境问题。于是，寻求一种无污染、高效率的新能源成为当务之急，太阳能因此成为众多研究者青睐的对象。

在此背景下，铁电材料的光伏效应激发了学者们的研究兴趣。铁电材料与传统光伏材料相比具有光电转换能力强、输出光生电压高、电场调控光伏等优势，这些优势使得铁电材料在众多光伏材料中脱颖而出，在实际生产生活中也得到了广泛应用。目前铁电材料制备方法包括气相沉积法射频溅射法、脉冲激光沉积法、溶胶凝胶旋涂法等，其中溶胶-凝胶旋涂法由于其易于控制各成分比、所得薄膜厚度成分均匀、设备及实验过程简易等优点而被最广泛地使用。因此本文中薄膜制备方法选用溶胶-凝胶旋涂法。

铁电材料概述

铁电性的发现

晶体的铁电性是指晶体在某一温度范围内不仅具有自发极化现象，而且自发极化强度的方向随外电场的施加而变化的性质^[1]，最早是一位法国科学家在上世纪二十年代发现的，引起他注意的是材料中不寻常的介电性，由此开始了铁电体的研究历史。此后许多研究者对这一现象产生了极大的兴趣，于是更多研究人员对晶体的铁电性作了更为深入的探索，更多铁电材料相继问世。

铁电材料的性质

铁电材料内部会产生固有的自发极化电矩，但宏观尺度上一般由于强度不够或者相互抵消而不被变现出来。加外电场后自发极化电矩会改变方向，外加电场为交变电场时，铁电体的极化强度受其影响，关系形成回线。此类材料这一系列性能与铁的磁性具有众多相似的地方，于是被称为“铁电体”，而实际上它与“铁”并没有关系。

材料的铁电性往往只在特定温度内显露出来，在此范围以内，铁电晶体的结构是非对称的，绝大多数铁电材料处于高温时，原子会具有较高的能量，内部结构也活动至对称，这时的铁电材料中不具有铁电相。而材料处于较低温度时，内部结构回到非对称状态，产生位移，铁电相才会得以显露。大多数铁电体处在居里温度附近时介电常数较高(可达10⁴—10⁵)，其介电常数与温度的关系满足以下关系: