Preparation of all-oxide heterostructures based on cation engineered photoferroelectric BiFeO3 thin films by cost-effective methodologies

Resum

L'òxid de perovskita fotoferroelèctric BiFeO3 (BFO) ha atret gran interès per ser utilitzat com un absorbent de llum homogeni en dispositius fotovoltaics simples, a causa del seu efecte fotovoltaic anormal, la seva banda prohibida (Eg) relativament estreta i la robusta polarització ferroelèctrica a temperatura ambient, que es maximitza en capes primes epitaxials. Tot i això, el seu rendiment fotovoltaic encara està lluny de ser l'ideal. Per explotar-ne tot el seu potencial, hi ha almenys dos aspectes clau que necessiten investigació. El primer és modificar la capa BFO per millorar l'absorció de llum i el fotocorrent. L'ús de l'enginyeria de cations és molt atractiu, investigacions recents van demostrar que substituint Fe per Co a BFO epitaxial (BiFe(1-x)Co(x)O(3), BFCO), es pot modular Eg cap al visible millorant a més la ferroelectricitat. No obstant això, l'estabilització d'aquesta fase es limita a Co < 30% a causa de la formació de fases secundàries, limitant la baixada addicional d'Eg. Un millor control i comprensió de la influència de la substitució catiònica és necessari per superar aquest repte d'estabilització. El segon aspecte és dissenyar un dispositiu adequat per millorar l'extracció dels portadors fotogenerats. Aquest estudi està poc explorat, especialment per a capes epitaxials de BFO. És essencial dedicar esforços a identificar materials compatibles des del punt de vista estructural, químic i optoelectrònic (enginyeria d'interfície) que puguin integrar-se al dispositiu BFO i investigar com afecten en les propietats del dispositiu. L'ús dòxids pot facilitar aquesta tasca. En aquesta tesi doctoral primer investiguem les fronteres de la nanoenginyeria de cations a BFO i ens enfoquem en la desafiant tasca de realitzar dues substitucions catiòniques simultàniament, a Bi(1-y)Ln(y)Fe(1-x) Co(x) O(3) (Ln-BFCO, amb Ln = Ce, La), per preparar pel·lícules epitaxials amb puresa de fase. Posem èmfasi a comprendre els efectes de l'enginyeria de composició a l'estructura, les propietats optoelectròniques i elèctriques del sistema. Aquest estudi s'avalua mitjançant l'ús de tècniques de deposició química (de l'anglès, CSD) a causa de la seva gran versatilitat per realitzar canvis composicionals i a baix cost. Després, s'estudia el disseny d'una arquitectura basada en components totalment òxids per facilitar tant la integració del material com per promoure l'extracció i la recol·lecció dels portadors fotogenerats. Per tal de generar coneixement sobre el sistema fotovoltaic epitaxial BFO, es proposa una arquitectura simple que consisteix en un elèctrode inferior epitaxial de tipus p (La0.7Sr0.3MnO3, LSMO) crescut sobre el sustrat monocristal·lí SrTiO3 (STO), el fotoabsorbent BFCO i un elèctrode superior transparent de tipus n (In2O3 dopat amb Sn, ITO). Aquest sistema investiga el paper de l'enginyeria d'interfície amb la capa de transport de ZnO (ITO/ZnO/BFCO/LSMO). Primer es realitza l'optimització de les condicions de deposició i el gruix de la pel·lícula per avaluar posteriorment la influència de l'enginyeria d'interfície amb ZnO a la ferroelectricitat i la fotoresposta. Per ajudar a descobrir el paper ZnO a la fotoresposta, s'extreu el diagrama d'alineació de bandes energètiques. La resposta foto i ferroelèctrica també s'avalua per conèixer la complexa influència de la ferroelectricitat en els corrents fotogenerats. A més, s'examina la fotoresposta de capes amb doble substitució catiònica, La-BFCO. Després, com una via alternativa per millorar l'absorció i l'extracció de llum dels portadors fotogenerats a BFCO, s'explora la fabricació d'una composició de gradient vertical de Co mitjançant ALD i CSD, estudiant meticulosament el procés tèrmic. Finalment, amb l'objectiu de continuar millorant el disseny de dispositius en òxids de perovskita fotoferroelèctrics epitaxials, també s'investiga el (encara inexplorat) disseny d'una ruta de síntesi basada en CSD per capes epitaxials amb composició La0.75Sr0.25CrO3, un òxid conductor.

Data del Ajut	19 de jul. 2023
Idioma original	Anglès
Supervisor	Mariona Coll Bau (Director/a)