[发明专利]一种六方锰酸钇铁电薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明属于无机非金属材料制备技术领域，公开了一种六方锰酸钇铁电薄膜及其制备方法和应用，本发明以硝酸钇和硝酸锰为原料、柠檬酸为稳定剂制备锰酸钇前驱体胶体，采用溶胶‑凝胶法在Si基底上制备了具有窄带隙的六方锰酸钇铁电薄膜，并在薄膜表面采用平行电极的结构方式，制备方法简单，成本低廉。本发明制得的六方锰酸钇铁电薄膜具有很好的晶相结构，能实现高光电流密度，有利于获得较大的光电转化效率，对实现优异的光伏性能具有十分巨大的意义；同时具备高光电容，这有利于实现该铁电薄膜在多领域中的应用，对其推广应用有重大意义。

技术领域

本发明属于无机非金属材料制备技术领域，具体涉及一种具有高光电密度、高光电容的六方锰酸钇铁电薄膜，以及该六方锰酸钇铁电薄膜的制备方法和应用。

背景技术

随着能源问题越来越突出，如何构建清洁高效的能源结构体系已经成为不可逃避的重大难题。铁电薄膜具有良好的铁电性、压电性、介电性、热释电性、电光及非线性光学等特性，可用于制作铁电存储器、微电子机械系统(MEMS)、非制冷红外探测器、微波调谐器件等。就传统光伏材料而言，铁电光伏材料具有相对窄的光学带隙、高于带隙的光生电压以及良好的可见光吸收性等特点，同时还具备良好的机械稳定性、化学稳定性，且制备成本低廉，因此，铁电光伏材料在太阳能电池方面越来越受研究者的青睐。

铁电光伏光生载流子的分离是通过铁电材料自身具有的极化来实现的，且其光电流的方向可以通过外加电场来进行调控。在实验层面上，沿着极化方向的光生电压能够达到其光学带隙的百倍或千倍，并且在BiFeO₃的体系中其光电转换效率已经超越了8％。然而大部分铁电光伏材料的光电流密度的输出值始终比较小，使得其光电转换效率很难突破1％。因此，寻找和制备高光电流密度和高光电容的铁电光电材料是一个严峻的挑战。

发明内容

本发明的目的的一个方面是提供一种具有高光电流密度和高光电容的六方锰酸钇铁电薄膜，可以作为铁电光电器件的材料。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种六方锰酸钇铁电薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将硝酸钇溶解于乙二醇甲醚溶剂得到透明液体A，并将硝酸锰溶解于乙二醇甲醚溶剂中得到透明液体B；

(2)将透明液体B倒入透明液体A中，搅拌均匀，加入柠檬酸，继续搅拌得到锰酸钇前驱胶体；

(3)将步骤(2)得到的锰酸钇前驱胶体旋涂在Si基底上，得到锰酸钇湿膜；

(4)对锰酸钇湿膜进行热处理，得到锰酸钇干膜；

(5)将锰酸钇干膜在1000-1100℃下进行热处理，得到完全结晶化的锰酸钇铁电薄膜。

本发明以硝酸钇和硝酸锰作为原材料，采用乙二醇甲醚作为溶剂，硝酸钇和硝酸锰在室温下通过搅拌得到透明稳定的胶体。在配制前驱体的过程中还加入了柠檬酸，柠檬酸的加入是为了使溶胶中的金属离子得到均匀的分散和增加胶体的稳定性。

在本发明的一些实施方案中，所述硝酸钇、硝酸锰、柠檬酸的摩尔比为1:1:2。

在本发明的一些实施方案中，所述锰酸钇前驱胶体的密度为0.06-0.15mol/L。

在本发明的一些实施方案中，步骤(4)的热处理包括三个阶段：第一阶段为在140-160℃下热处理3-7min；第二阶段为在400-420℃下热处理8-12min；第三阶段为在580-620℃下热处理2-5min。

在本发明的一些实施方案中，制备过程中步骤(3)至步骤(4)反复进行多次直至所述锰酸钇干膜的厚度达到280nm。

在本发明的一些实施方案中，步骤(5)中热处理的时间为15-30min。