Pt/BiFeO3/Nb:SrTiO3異質(zhì)結(jié)的光伏效應(yīng)和光調(diào)控整流特性*

劉川川 郝飛翔 殷月偉 李曉光

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系， 合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心， 中科院強(qiáng)耦合量子材料物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230026)

(2020 年2 月24日收到; 2020 年3 月12日收到修改稿)

鐵電薄膜異質(zhì)結(jié)的光伏效應(yīng)因具有重要的應(yīng)用前景而備受關(guān)注， 而且其中多種光伏效應(yīng)機(jī)制的共存帶來了豐富而復(fù)雜的物理內(nèi)涵. 為了研究界面對光伏效應(yīng)的重要作用， 制備了基于BiFeO3鐵電薄膜的具有“金屬/鐵電體/半導(dǎo)體”非對稱電極結(jié)構(gòu)的Pt/BiFeO3/Nb:SrTiO3異質(zhì)結(jié)， 并系統(tǒng)研究了其在不同波長(365和445 nm)激光照射下的光伏效應(yīng). 在365 nm， 74 mW/cm2光照下， 異質(zhì)結(jié)的光伏開路電壓高達(dá)0.55 V. 而且，由于光激發(fā)和光吸收過程的不同， 365 nm激光照射下該異質(zhì)結(jié)的開路電壓和短路電流比445 nm激光照射下的結(jié)果顯著提高. 隨著溫度降低， 開路電壓單調(diào)上升， 而不同波長下的短路電流則表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律. 另外， 隨著光強(qiáng)的提高， 異質(zhì)結(jié)整流效應(yīng)獲得增強(qiáng)， 通過分析， 空間電荷限制電流傳導(dǎo)機(jī)制對異質(zhì)結(jié)輸運(yùn)有重要貢獻(xiàn)， 而光生載流子將通過填充缺陷影響輸運(yùn)特性.

1 引 言

最近， 氧化物鐵電薄膜及其異質(zhì)結(jié)的光伏效應(yīng)由于在光能源轉(zhuǎn)換[1-4]、光電探測[5-8]、信息存儲[9-11]等方面的巨大應(yīng)用潛力而受到了大量關(guān)注.相較于大部分具有較大帶隙(＞ 3.0 eV)的氧化物鐵電材料 (如 LiNbO3， BaTiO3， (Pb， Zr)TiO3等)，鐵酸鉍 (bismuth ferrite， BiFeO3， BFO)薄膜具有較低的能隙(約為2.7 eV)和較大的鐵電極化(大于 50 μC/cm2)[12-15]， 甚至可以表現(xiàn)出可見光照下的光伏效應(yīng)[2，16-19]， 因而成為這一研究領(lǐng)域的熱點(diǎn).

一般情況下， 鐵電薄膜異質(zhì)結(jié)的光伏效應(yīng)主要來源于以下方面[1，20，21]: 1) 體光伏效應(yīng). 鐵電材料自身非中心對稱的原子晶格排布， 使其晶格中運(yùn)動的光生載流子具有不對稱的動量， 導(dǎo)致對外形成定向的光電流輸出. 2)退極化場效應(yīng). 當(dāng)鐵電薄膜與電極接觸時(shí)， 極化電荷被不完全屏蔽， 導(dǎo)致鐵電薄膜體內(nèi)存在退極化場， 可以驅(qū)動光生載流子的分離， 形成光伏效應(yīng). 3)疇壁模型. 光生電子-空穴對在鐵電疇內(nèi)大量復(fù)合， 難以遷移出去， 而鐵電疇壁處存在很大的局域電場可以使光生電子-空穴對有效地分離， 產(chǎn)生光伏效應(yīng)， 甚至可以在多個(gè)疇壁串聯(lián)的方向?qū)ν獗憩F(xiàn)出超過帶隙的大光生電壓.4)界面效應(yīng). 各種存在于界面附近的局域電場， 比如: 鐵電薄膜與金屬電極形成肖特基接觸， 從而界面區(qū)域形成肖特基結(jié)內(nèi)建電場， 當(dāng)光照射結(jié)區(qū)并產(chǎn)生光生電子-空穴對時(shí)， 這些光生載流子會受到該內(nèi)建電場的牽引而定向運(yùn)動， 從而對外表現(xiàn)出光伏效應(yīng). 由于上述光伏效應(yīng)的復(fù)雜作用， 鐵電薄膜異質(zhì)結(jié)中可能同時(shí)存在多種光伏效應(yīng)原理. 在這些光伏原理中， 界面效應(yīng)對鐵電光伏器件的小型化特別重要， 因?yàn)殡S著鐵電薄膜厚度的降低， 體效應(yīng)可能隨厚度降低而減弱， 疇壁效應(yīng)也可能因?yàn)楹穸确较驕p少的疇壁個(gè)數(shù)而減弱， 而界面效應(yīng)的貢獻(xiàn)則會更為凸顯和重要.

人們已對鐵電異質(zhì)結(jié)中界面光伏效應(yīng)開展了一系列研究. 例如， 在鐵電異質(zhì)結(jié)中， 基于鐵電極化對界面處局域電場的調(diào)控， 可以非常容易地調(diào)控光生電流的大小甚至方向[21]; 利用具有不同功函數(shù)的電極材料對鐵電異質(zhì)結(jié)界面肖特基勢壘的調(diào)控， 可以實(shí)現(xiàn)對光伏效應(yīng)的強(qiáng)調(diào)制[22]; 而在ITO/BFO/Pt異質(zhì)結(jié)界面處插入一層氧化鋅(ZnO)薄膜， ITO/ZnO/BFO/Pt異質(zhì)結(jié)的光生電流得到了明顯的提高， 這是源于插入的ZnO薄膜可以產(chǎn)生出大量的電子-空穴對， 從而對光電流做出貢獻(xiàn)[14]. 除了利用插層設(shè)計(jì)， 直接使用半導(dǎo)體電極也可以在半導(dǎo)體電極一側(cè)引入耗盡層從而對光伏效應(yīng)實(shí)施有效調(diào)控. 摻入Nb的SrTiO3(NSTO，能隙為3.2 eV)是一種廣泛被用作鈣鈦礦材料底電極的半導(dǎo)體材料， 可以直接利用其作為襯底生長BFO等鐵電薄膜材料并在鐵電薄膜上制備金屬電極， 從而獲得“金屬/鐵電體/半導(dǎo)體”強(qiáng)非對稱鐵電異質(zhì)結(jié)， 并開展光伏效應(yīng)研究[10，23-26]. 如Hu等[23]使用這種方法制備了Pt/Sm0.1Bi0.9FeO3(3 nm)/NSTO鐵電異質(zhì)結(jié)， 基于波長為250—385 nm (光子能量 ＞ 3.2 eV)的光照研究， 發(fā)現(xiàn)其隧穿電致電阻可被光調(diào)控， 光生電壓可達(dá)0.1 V. 基于波長為405 nm (光子能量～3.0 eV)的光照， 人們在Pt/Bi0.9Eu0.1FeO3/Nb:SrTiO3異質(zhì)結(jié)中也研究了鐵電極化對光伏效應(yīng)的影響， 發(fā)現(xiàn)其光生電壓可達(dá)0.38 V[10]. 考慮到BFO (～2.7 eV)和NSTO(～3.2 eV)具有不同的能隙， 若選擇具有合適光子能量的光輻照分別用于單獨(dú)激發(fā)BFO (2.7 eV ＜光子能量 ＜ 3.2 eV)和同時(shí)激發(fā)BFO及NSTO(光子能量 ＞ 3.2 eV)， 則不同的界面相關(guān)光生載流子激發(fā)過程， 很可能帶來不同的物理現(xiàn)象， 從而進(jìn)一步幫助理解鐵電異質(zhì)結(jié)中的界面光伏效應(yīng).

本文通過生長具有非對稱“金屬/鐵電體/半導(dǎo)體”結(jié)構(gòu)的Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)， 并使用不同波長 (365 nm/3.4 eV， 445 nm/2.8 eV)的光輻照， 研究了異質(zhì)結(jié)光伏效應(yīng)、輸運(yùn)特性隨溫度、光強(qiáng)的變化， 并基于異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)對不同波長光激發(fā)下的物理過程進(jìn)行了分析， 解釋了上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

2 實(shí)驗(yàn)方法

本文使用磁控濺射技術(shù)在NSTO (001)單晶襯底上生長BFO薄膜， 濺射溫度為680 ℃， 生長氣氛為氧氣與氬氣的混合氣體(比例為1∶9)， 氣壓為1.0 Pa. 為了使Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)的界面盡可能地少受外界污染物等影響， 在NSTO襯底上生長獲得BFO薄膜后， 立刻在BFO薄膜表面制備厚度約為10 nm的半透明Pt薄膜， 并利用紫外光刻技術(shù)使得頂電極Pt尺寸為30 μm × 30 μm.與結(jié)區(qū)相連的頂電極測試引線與BFO薄膜間被一層SiO2絕緣層隔絕開， NSTO襯底上制備歐姆接觸的底電極引線， 正向、負(fù)向電壓分別施加在Pt頂電極、NSTO底電極上， 如圖1(a)所示. 使用X 射線衍射儀 (XRD， Cu Kα1， 波長為 1.540598 ?，Panalytical X'pert)表征BFO薄膜結(jié)構(gòu); 使用Radiant Technologies公司生產(chǎn)的型號Precision Premier II (Radiant Tech.)儀器測試BFO薄膜的鐵電性; 使用Keithley 2410源表對Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)的伏安特性進(jìn)行表征; 使用激光二極管作為輻照光源， 波長 (λ)為 365 和 445 nm. 變溫測試在linkman TMS 94變溫測試平臺中完成.

圖 1 Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié) (a)樣品結(jié)構(gòu)示意圖;(b)能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1. Pt/BFO/NSTO heterojunction: (a) Schematic illustration; (b) energy band structure diagram.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)分析及結(jié)構(gòu)和鐵電表征

Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示. 首先對Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)光照下的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析， 如圖1(b)所示. 在該異質(zhì)結(jié)的能帶中， 基于BFO氧化物薄膜的生長條件(低氧壓0.1 Pa)， 因其中存在難以避免的氧空位， 故可以認(rèn)為是弱n型的半導(dǎo)體(帶隙為2.7 eV， 電子親和能是 3.3 eV)[27，28]， 而 NSTO 是重?fù)诫s (0.7 wt%) 的n型半導(dǎo)體(能隙為3.2 eV， 電子親和能是4.0 eV).同時(shí)， Pt金屬的功函數(shù)是5.6 eV. 基于費(fèi)米面的連接過程， Pt/BFO界面處存在一個(gè)肖特基勢壘(高度大約為2.3 eV)， 在BFO一側(cè)形成耗盡層內(nèi)建電場區(qū); 而BFO/NSTO界面則構(gòu)成了一個(gè)n+-n結(jié)，在BFO和NSTO側(cè)均存在耗盡層內(nèi)建電場區(qū). 上述耗盡層內(nèi)建電場方向相同. 光照下， 光激發(fā)所產(chǎn)生的電子-空穴對會受到界面處內(nèi)建電場的牽引向相反的方向運(yùn)動而分離， 從而對外表現(xiàn)出光伏效應(yīng). 對于 445 nm的光照 (光子能量為2.8 eV)， 僅兩個(gè)界面BFO一側(cè)耗盡層中產(chǎn)生電子-空穴對的分離; 而365 nm的光照(光子能量為3.4 eV)不但可以在BFO中激發(fā)電子-空穴對， 還足以在NSTO中激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對， 從而使其對光伏效應(yīng)做出貢獻(xiàn)[29]. 這種與界面相關(guān)的不同光生載流子激發(fā)過程將會影響光伏效應(yīng)和輸運(yùn)性質(zhì).

為了確定BFO薄膜的生長質(zhì)量， 使用XRD對BFO (～60 nm)/NSTO異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征 (圖 2(a)). 由圖 2(a)可以看到， 與 NSTO襯底一樣， BFO薄膜的XRD結(jié)果中也只有(00l)峰出現(xiàn)， 未發(fā)現(xiàn)其他雜相， 表明BFO薄膜具有較好的外延質(zhì)量與取向. 基于XRD數(shù)據(jù)， 計(jì)算得到BFO薄膜的贗立方晶胞c軸方向晶格參數(shù)為4.02 ?， 比BFO塊材(3.96 ?)大， 說明BFO薄膜沿面外方向受到拉應(yīng)變(εzz～ +1.52%). 基于BFO的泊松比ν= 0.33[30，31]， 利用泊松方程計(jì)算得到BFO薄膜受到的面內(nèi)壓應(yīng)變εxx為—1.54%.其之所以受到面內(nèi)壓應(yīng)變， 是由于NSTO襯底的面內(nèi)晶格參數(shù)(～3.905 ?)比BFO小. 之后在室溫對BFO薄膜(200 nm)的鐵電性進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖2(b)所示. 電極化-電場(P-E)回線圖具有典型的鐵電回滯線形， 其中， 剩余鐵電極化約為60 μC/cm2， 飽和鐵電極化約為 63 μC/cm2. 其鐵電性能與之前報(bào)道的(001)取向的高質(zhì)量BFO薄膜相一致[19，27]， 表明BFO薄膜具有良好的鐵電性.

圖 2 (a) BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)的XRD測試結(jié)果; (b)在2 kHz下測量BFO (200 nm)薄膜的P-E鐵電回滯曲線Fig. 2. (a) XRD pattern of BFO/NSTO heterojunction;(b) P-E hysteresis loop of BFO (200 nm) film measured under 2 kHz.

3.2 不同強(qiáng)度光輻照下的光伏效應(yīng)

接下來系統(tǒng)研究了黑暗及不同光強(qiáng)的365和445 nm波長光照下Pt/BFO(60 nm)/NSTO異質(zhì)結(jié)在室溫下的電流密度-電壓(J-V)曲線. 從異質(zhì)結(jié)的J-V曲線可以看到， 在不加光照時(shí)， 該曲線幾乎是線性的， 且關(guān)于原點(diǎn)中心對稱. 隨著照射光強(qiáng)度的增加， 電流密度在正負(fù)電壓方向都單調(diào)增加，特別是表現(xiàn)出了明顯的整流行為: 正向電壓下電流密度增長更為顯著. 這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明， 在光照輔助下， Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)可以表現(xiàn)出更為顯著的二極管效應(yīng)， 這種光輔助的二極管特性與具有非對稱結(jié)構(gòu)的Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)中光生載流子的注入有關(guān)[32]. 不同光照下異質(zhì)結(jié)的傳導(dǎo)機(jī)制將在3.4節(jié)中詳細(xì)討論.

更為重要地， 通過圖3的J-V曲線， 可以看到Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出顯著的光伏效應(yīng).圖4展示了該異質(zhì)結(jié)的室溫開路電壓(Voc)及短路電流密度(Jsc)隨光照強(qiáng)度的變化規(guī)律. 如圖4(a)所示， 在λ～ 365 nm， 74 mW/cm2的光照下， 開路電壓可以達(dá)到0.55 V， 短路電流密度可以達(dá)到208 μA/cm2， 顯著高于 445 nm 光照下的Voc和Jsc. 作為對比， 文獻(xiàn)中基于NSTO的鐵電異質(zhì)結(jié)在365 nm光照下的開路電壓、短路電流密度最高僅為 0.54 V， 220 μA/cm2(153 mW/cm2， 光照強(qiáng)度是本文光照強(qiáng)度的2倍)[23-25]. 此外， 圖4(b)的結(jié)果表明， 短路電流密度的大小正比于光照強(qiáng)度，這是因?yàn)樵诟邚?qiáng)度的光輻照下， 更多的光子會激發(fā)出更多的載流子， 從而貢獻(xiàn)出更大的光生電流[1].

圖 3 室溫下， 黑暗及不同光強(qiáng)的光照射下Pt/BFO(60 nm)/NSTO異質(zhì)結(jié)的J-V曲線 (a)波長365 nm光照下的結(jié)果;(b)波長445 nm光照下的結(jié)果， 插圖為低電壓區(qū)域的放大圖像Fig. 3. J-V curves of Pt/BFO(60 nm)/NSTO heterojunction in the dark and under the laser irradiation with various irradiation intensities at room temperature: (a) λ ～365 nm; (b) λ ～ 445 nm. The inset of panel (b) shows the magnified image at low voltages.

圖 4 不同波長光照下的(a)開路電壓和(b)短路電流密度隨著光照強(qiáng)度的變化Fig. 4. Light intensity dependent (a) open-circuit voltage and (b) short-circuit current density under laser irradiation with different wavelengths.

同時(shí)， 365 nm的外量子效率(每個(gè)入射光子可以產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)目)約是445 nm的260倍(在約100 mW/cm2光照下). 這個(gè)巨大的差異正是源自兩種波長光照下異質(zhì)結(jié)中不同的光激發(fā)機(jī)制. 首先， 這是因?yàn)?65 nm的光照(光子能量為3.4 eV)不但可以在BFO中激發(fā)電子-空穴對，還足以在NSTO中激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對， 從而使光伏效應(yīng)更為顯著. 另一方面， Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)對兩種波長光的吸收過程也有很大的區(qū)別.BFO對445 nm的光吸收系數(shù)α為4 × 104cm—1，遠(yuǎn)小于對365 nm光的吸收系數(shù)2.6 × 105cm—1[33].根據(jù)光照強(qiáng)度Iv(d)和穿透距離d的關(guān)系Iv(d) =Iv0e—αd[34]， 并且忽略半透明薄 Pt中的光吸收， 可知445 nm的光只有約21%會被BFO吸收， 而對于365 nm， 有79%的光被BFO吸收， 剩余的21%被NSTO吸收. 只有被材料吸收的光才可能對光生電流產(chǎn)生貢獻(xiàn). 所以， 365 nm光照時(shí)特別大的光生電流也與異質(zhì)結(jié)對其更為顯著的光吸收有關(guān).

3.3 不同溫度下Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)的光伏效應(yīng)

我們還系統(tǒng)研究了80—300 K范圍內(nèi)溫度依賴的光伏效應(yīng)(圖5). 從圖5可以看到， 在兩種波長光的照射下， 開路電壓整體上都隨著溫度的降低而逐漸增加， 而短路電流密度隨著溫度的變化趨勢則截然相反: 在365 nm光照下，Jsc隨溫度降低而降低; 在445 nm光照下，Jsc隨溫度降低而上升.

首先， 開路電壓隨溫度降低而升高的現(xiàn)象在很多光伏異質(zhì)結(jié)器件中都有所報(bào)道[35-42]， 可能與以下因素有關(guān): 1)開路電壓與異質(zhì)結(jié)內(nèi)建電場密切相關(guān)，Voc的最大值受限于內(nèi)建電場. 隨著溫度的降低， 材料費(fèi)米能級的變化及載流子濃度的變化會導(dǎo)致內(nèi)建電場的增加， 使得開路電壓升高[35-37，43];2)基于光伏效應(yīng)J-V測試過程， 光照下異質(zhì)結(jié)在Voc時(shí)電流為零， 可視為Voc下的異質(zhì)結(jié)正向電流與光生電流相抵消， 即Voc的測試值大小可能受到輸運(yùn)過程的影響. 因此， 溫度可以通過影響熱電子激發(fā)、聲子熱散射等影響輸運(yùn)， 導(dǎo)致開路電壓的變化[38-42]. 另外， 值得注意的是， 隨著溫度的降低，兩種波長下的開路電壓均是先快速增加， 然后在200 K以下增加變緩， 這可能源自不同的Voc調(diào)制原理， 比如200 K以上的溫度可能能夠激發(fā)出更為顯著的熱電子. 另外， 隨著溫度的繼續(xù)降低，445 nm波長下的開路電壓均勻緩慢地升高， 而365 nm波長下的開路電壓開始緩慢增大， 然后在低于170 K之后快速升高. 這種不同可能源自365 nm光照下NSTO參與光伏效應(yīng)， 使得光伏物理過程更為復(fù)雜的原因[29，44].

圖 5 (a)， (c)不同溫度下Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)的J-V曲線; (b)， (d)開路電壓和短路電流密度隨溫度的變化; (a)， (b) λ ～ 365 nm，74 mW/cm2; (c)， (d) λ ～ 445 nm， 1.56 W/cm2Fig. 5. (a)， (c) Temperature dependent J-V curves of Pt/BFO/NSTO heterojunction under laser irradiation; (b)， (d) corresponding temperature dependent open-circuit voltage and short-circuit current density. In (a) and (b)， λ ～ 365 nm， 74 mW/cm2; in (c) and(d)， λ ～ 445 nm， 1.56 W/cm2.

更能體現(xiàn)兩種波長下光伏物理過程和載流子輸運(yùn)規(guī)律不同的， 是截然不同的Jsc隨溫度的變化規(guī)律. 從圖5(b)可以看到， 在波長為365 nm的光照下， 短路電流密度在170 K以下時(shí)基本不變， 而在170 K以上時(shí)隨著溫度上升急劇增加. 這一結(jié)果與其他光伏異質(zhì)結(jié)器件中得到的規(guī)律相類似[36]，隨溫度上升而增加的Jsc一般被認(rèn)為與熱激發(fā)過程有關(guān)， 因此用Arrhenius熱激活模型[45-47]擬合溫度依賴的短路電流密度:

其中，A是擬合參數(shù)，Δ是相應(yīng)陷阱能級的激活能，kB是玻爾茲曼常數(shù). 圖6為擬合結(jié)果， 從中得到熱激活能(陷阱深度)Δ= 20 meV.

與365 nm波長的光輻照情況不同的是， 在波長為445 nm的光照情況下， 短路電流密度隨著溫度的上升不斷下降. 這種變化規(guī)律在以前文獻(xiàn)中也有所報(bào)道， 可能與以下因素有關(guān): 1)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體中的熱擾動及聲子散射增強(qiáng)， 導(dǎo)致更低的Jsc[48]; 2)擴(kuò)散電流和復(fù)合電流與光生電流方向相反， 其高溫下的增加可導(dǎo)致最后測量得到的Jsc的降低[49]; 3)一般情況下， 光伏異質(zhì)結(jié)的開路電壓與短路電流密度有正相關(guān)關(guān)系()[50，51]，隨溫度上升而下降的光生電壓也可能對降低的短路電流有所貢獻(xiàn)[52]. 兩種波長下不同的Jsc隨溫度的變化規(guī)律說明， 在365 nm波長引入NSTO光伏效應(yīng)后， 輸運(yùn)特性被極大地調(diào)制.

圖 6 Jsc隨1000/T的變化及Arrhenius公式擬合Fig. 6. Jsc vs. 1000/T and the fitting result by Arrhenius model.

3.4 Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)電機(jī)制分析

由上述實(shí)驗(yàn)可見， Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)具有明顯的光調(diào)控整流效應(yīng): 在不加光時(shí)，J-V幾乎呈線性變化關(guān)系， 而光照下表現(xiàn)出明顯的非線性整流線型(見圖3). 為了更加深入地理解這種現(xiàn)象，需要分析其中的傳導(dǎo)機(jī)制. 一般情況下， 類似的異質(zhì)結(jié)中可能的傳導(dǎo)機(jī)制包括肖特基發(fā)射模型和空間電荷限制電流(space-charge limited current，SCLC)模型等[53]， 兩種模型的介紹如下.

1)肖特基發(fā)射模型. 當(dāng)金屬和半導(dǎo)體材料接觸時(shí)， 費(fèi)米面重構(gòu)可能在界面處形成肖特基勢壘.這種情況下， 肖特基發(fā)射可能是主要的傳導(dǎo)機(jī)制，相應(yīng)的非線性J-V曲線滿足下面的關(guān)系:

其中，A0是有效 Richardson常數(shù)，φB是肖特基勢壘的高度，q是電子的電荷量，n是理想因子，kB是玻爾茲曼常數(shù). 利用肖特基發(fā)射模型對波長為365和445 nm光照下的J-V曲線(圖5(a)和(圖5(c))進(jìn)行了擬合， 不同溫度下的擬合參數(shù)如圖7所示.在不同溫度下， 365 nm波長下理想因子n的值從14到25變化， 445 nm波長下理想因子n的值從45 到 150 變化， 遠(yuǎn)大于 1[54，55]， 說明在本文測試條件下Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)的主要傳導(dǎo)機(jī)制應(yīng)該不是肖特基發(fā)射.

圖 7 肖特基勢壘高度和理想因子隨溫度的變化 (a) λ ～365 nm， 74 mW/cm2; (b) λ ～ 445 nm， 1.56 W/cm2Fig. 7. Temperature dependent Schottky barrier height and ideal factor: (a) λ ～ 365 nm， 74 mW/cm2; (b) λ ～ 445 nm，1.56 W/cm2.

2)基于SCLC模型，J-V曲線滿足如下關(guān)系[53，56]:

其中m是擬合參數(shù). 圖8(a)展示了波長為445 nm的不同光強(qiáng)輻照下的J-V曲線(圖3(b))的擬合結(jié)果. 在低電壓下，J-V曲線會表現(xiàn)出接近線性電阻的行為()， 這時(shí)在電場驅(qū)動下的載流子有相當(dāng)一部分會填充在淺陷阱(shallow traps)內(nèi). 隨著電壓的增大， 當(dāng)?shù)竭_(dá)轉(zhuǎn)變電壓Vtran時(shí)， 淺陷阱逐漸被完全填充， 在這之后， 部分被填充的深陷阱(deep traps)開始在傳導(dǎo)過程中占據(jù)主導(dǎo)地位， 此時(shí)，， 且m＞ 2. 在更高的電壓 ()下， 深陷阱將被逐漸完全填充， 于是深陷阱的自由傳導(dǎo)機(jī)制開始起作用， 此時(shí).

隨著光強(qiáng)的增加，Vtran和單調(diào)降低， 如圖8(b)所示， 這與更多的光生載流子填充缺陷有關(guān). 基于SCLC模型， 轉(zhuǎn)變電壓Vtran滿足如下關(guān)系[53]:

其中，Ha是缺陷密度，pt是被俘獲的載流子密度，d是樣品厚度. 因此， 當(dāng)光生載流子增加時(shí)， 相同外加電壓下缺陷俘獲載流子濃度pt將會有效增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)變電壓Vtran降低. 這不但解釋了不同光強(qiáng)下J-V曲線的變化， 也佐證了SCLC模型對樣品的適用性. 而對于365 nm的光照情況， SCLC模型不能很好地?cái)M合， 這源自在365 nm光照下， 更強(qiáng)的光子能量(3.4 eV)足以引發(fā)NSTO(能隙為3.2 eV)參與光伏效應(yīng)， NSTO光激發(fā)的加入使得異質(zhì)結(jié)傳導(dǎo)機(jī)制變得更為復(fù)雜. 兩種波長下傳導(dǎo)機(jī)制的不同可能是導(dǎo)致圖5中Jsc隨溫度變化規(guī)律不同的原因之一.

圖 8 (a)在445 nm光照和不加光時(shí)Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)的J-V曲線， 黑色實(shí)線是根據(jù)SCLC模型擬合的結(jié)果;(b) Vtran和 隨光強(qiáng)的變化關(guān)系Fig. 8. (a) J-V curves of Pt/BFO/NSTO heterojunction in the dark and under the laser irradiation with different irradiation intensities for 445 nm wavelength. The black solid lines are fitting results by SCLC model. (b) Light intensity dependent Vtran and .

最后， 需要注意的是， 在BFO異質(zhì)結(jié)或單晶樣品中， 有報(bào)道發(fā)現(xiàn)BFO的鐵電極化方向翻轉(zhuǎn)可以調(diào)控異質(zhì)結(jié)的二極管效應(yīng)和光伏效應(yīng)[10，19，23，57].這種現(xiàn)象一般被歸結(jié)于退極化場的調(diào)控、氧空位的移動或者鐵電場效應(yīng)對界面勢壘的調(diào)節(jié)等[23，57，58].但是， 本文中的Pt/BFO(60 nm)/NSTO樣品由于BFO薄膜較為導(dǎo)電(可能源自較為豐富的氧空位)， 在施加電壓達(dá)到鐵電極化翻轉(zhuǎn)電壓前被擊穿，未能獲得鐵電性對整流效應(yīng)和光伏效應(yīng)的影響.

4 結(jié) 論

本文采用磁控濺射技術(shù)， 構(gòu)建了由60 nm的BFO薄膜構(gòu)成的Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)， 并研究了該異質(zhì)結(jié)在波長為365和445 nm的光輻照下的光伏效應(yīng)和光調(diào)控整流效應(yīng). 在波長365 nm的光激發(fā)下， 異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的開路電壓和短路電流(74 mW/cm2光照強(qiáng)度下兩者分別達(dá)到0.55 V， 208 μA/cm2)， 而且其短路電流隨溫度下降而下降的變化趨勢與445 nm光照下的變化趨勢相反. 上述結(jié)果與不同波長下異質(zhì)結(jié)不同的光激發(fā)載流子過程和光吸收過程有關(guān). 另外， 通過對Pt/BFO/NSTO異質(zhì)結(jié)傳導(dǎo)機(jī)制的分析， 發(fā)現(xiàn)波長445 nm的不同光強(qiáng)光照下異質(zhì)結(jié)的線性到非線性的伏安輸運(yùn)特性， 可以被SCLC傳導(dǎo)模型描述.這些結(jié)果有利于人們進(jìn)一步理解具有不同界面的鐵電異質(zhì)結(jié)中的光伏效應(yīng)， 有助于設(shè)計(jì)與光電效應(yīng)相關(guān)的異質(zhì)結(jié)器件.