[发明专利]一种窄禁带铋层状共生结构铁电材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种窄禁带铋层状共生结构铁电材料及其制备方法，所述窄禁带铋层状共生结构铁电材料的分子式为Bi₄Ti₃O₁₂‑Bi₅Ti₃FeO₁₅；所述窄禁带铋层状共生结构铁电材料具有长程有序的BiT‑BTF超周期结构，所述超周期结构中Bi₄Ti₃O₁₂单层与Bi₅Ti₃FeO₁₅单层沿c轴交替排列。

技术领域

本发明涉及一种窄禁带铋层状共生结构铁电材料及其制备方法，属于光电子材料、光催化材料、铁电材料与器件领域。

背景技术

随着石油、天然气、煤等不可再生能源的过渡消耗，能源结构调整成为人类社会发展不可忽视百年大计，以光能为主的可再生能源开发、利用技术越来越受到全社会的关注。光伏效应以及光催化作用是人类直接利用太阳能的两种主导形式，前者可直接将光能转换为电能，而后者可利用太阳能分解水实现制氢，并能应用于污水处理，因此在新能源技术研发中占有相当的地位。研究开发新材料是太阳能产业发展的重要方向，而适当的禁带宽度则是评价相关材料最为关键的指标之一，通常要求材料的禁带宽度最好介于1.0～1.8eV之间。

作为一类重要的功能材料，铁电材料以其特有的自发极化特性，在信息存储、通讯、压力传感、热成像等多个领域有广泛应用。光电子领域的应用是近年来铁电材料研究的又一个前沿方向，由于铁电体的自发极化，其内部存在很大的内电场，其大小甚至比p-n结光伏电池中的内建电场要大1～2个量级，这一特性使得铁电材料具备了分离光生电子-空穴对的能力，并表现出远超禁带宽度的光电压输出特性以及优异的光催化性能。然而，铁电材料的禁带宽度通常在2.5～3eV以上，需要紫外光才能激发出相应的性能，因而光能利用率低，成为铁电材料相关应用的瓶颈。

发明内容

针对上述问题，本发明克服了传统铁电材料在禁带宽度上的限制，提供了一种窄禁带的铋层状共生结构铁电材料及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种窄禁带铋层状共生结构铁电材料，所述窄禁带铋层状共生结构铁电材料的分子式为Bi₄Ti₃O₁₂-Bi₅Ti₃FeO₁₅；所述窄禁带铋层状共生结构铁电材料具有长程有序的BiT-BTF超周期结构，所述超周期结构中Bi₄Ti₃O₁₂单层与Bi₅Ti₃FeO₁₅单层沿c轴交替排列。

较佳地，所述窄禁带铋层状共生结构铁电材料的居里温度为730～750℃，材料的禁带宽度为0.8～0.9eV；优选地，所述窄禁带铋层状共生结构铁电材料的居里点为745℃，禁带宽度为0.87eV。

另一方面，本发明提供了一种上述窄禁带铋层状共生结构铁电材料的制备方法，包括：

(1)按照摩尔比9:12:1称取Bi₂O₃粉体、TiO₂粉体、Fe₂O₃粉体并混合，得到固体混合物；

(2)将所得固体混合物在750～820℃下预烧结4～8小时后，再经粉碎，得到中间粉体1；

(3)将所得中间粉体1在900～1050℃下煅烧12～24小时后，再经粉碎，得到中间粉体2；

(4)将所得中间粉体2再重复步骤(3)至少1次(优选至少2次)，得到BiT-BTF结构粉体；

(5)将所得BiT-BTF结构粉体、粘结剂混合后造粒并压制成型，得到素坯；