Zn掺杂KBiFe2O5的合成及性能研究

近年来，钙铁石结构材料KBiFe2O5 (简写为KBFO)因其多铁特性而得到人们的关注，其带隙约为1.6 eV，成为了继室温单相多铁材料铁酸铋之后的另一类铁电光伏候选材料。本工作利用溶胶–凝胶法(sol-gel)制备了Zn掺杂的KBFO材料，研究Zn掺杂对KBFO材料的结构和物性的影响。研究结果表明，掺杂使样品的结构发生轻微的畸变，其磁学性能和光学带隙在掺杂量为5%变化最明显。本工作对进一步理解KBiFe2O5材料的带隙结构、磁性、电特性及其调控提供实验参考。

近年来，多铁材料在光伏领域获得了极大地关注，多铁性材料是具有铁电性，(反)铁磁性，铁弹性或铁涡性等两种或两种以上铁性特性的材料。已经发现的各类多铁性材料如：BTO、PZT 等拥有较大的带隙(>4 eV) [1]，使得这类材料很难吸收可见光，极大程度限制了其在铁电光伏领域的应用。然而，铁酸铋的发现使得铁电光伏领域再次成为热门的研究热题。BiFeO3 作为一种无铅钙钛矿，带隙为2.6 eV [1]，自其发现以来被广泛地应用在光伏、光催化、太阳能电池、存储等领域。但其吸收波段仍在400 nm 左右的蓝紫及紫外波段，使得其调控的范围及在太阳能吸收等方面无法表现的十分出色。

因此近年来，国内外学者积极的寻求一些新型的窄带隙多铁材料，使得其替代铁酸铋以拓宽其应用场景。一种新型的钙铁石材料源自于钙钛矿结构，结构式为A2B2O5，但与常规钙钛矿相比，这种钙铁石材料表现出更低的带隙， 在光电和太阳能器件中具有巨大的潜在应用。

Ganghua Zhang 等人报道了一种具有MO4 四面体结构的新型多铁材料KBiFe2O5 (下称KBFO)，其具有禁带宽度窄的特点，经水热法合成的KBFO 带隙为1.59 eV [2]。这使得KBFO 成为了新型光伏材料的有利候选人。

KBiFe2O5属于A2B2O5结构的钙铁石材料， 该化合物的晶胞由[(K, Bi)O2]和[Fe2O3]交替组成， 通过FeO4四面体和BiO6 八面体角处的氧连接。每个FeO4 四面体都具有四个不同的Fe-O 键，在单斜结构中，FeO4四面体通过沿[001]方向共享顶点而形成链。FeO4 四面体链中，存在片状严重扭曲的BiO6 八面体，其中有四个Bi-O 键。由于其孤对电子，类似的扭曲金属–氧距离对于含Bi3+化合物来说很常见，沿[100]轴， BiO6 八面体形成锯齿状聚合Bi2O10 链，共享八面体边缘并形成稳定层状结构[3]。

近年来，国内外学者围绕这一材料进行了一系列研究。Zhang M.等人经固相法在800℃下合成的KBFO 带隙为1.76 eV [4]，Zhai X. Z.等人在850℃下合成的带隙为1.65 eV [5]，Jalaja M. A.等人利用溶胶凝胶法在700℃下获得KBFO 的带隙为1.63 eV [6]。除其带隙较窄，能够充分吸收太阳能的优点以外， KBFO 还具有高居里温度(Tc = 780 K)以及强大的磁和光电活性， 获得了高光电压(8.8 V)和光电流密度(15 mA/cm2)，与报道的BiFeO3 相当。根据所报道的太阳能吸收率，KBFO 的理论光伏效率极限(30%)远远超过BiFeO3 (7%) [1]， 这一发现可能为发现和设计用于太阳能应用的最佳有限元化合物开辟一条新途径[2]。

为了深入了解能带结构，Ganghua Zhang 等人进行了第一原理电子能带结构计算[2]。Durga Sankar Vavi-lapalli 等人根据Mulliken 电负性表达式确定了KBFO 的能带结构[7]。

他们揭示了在KBFO 中存在直接带隙，其中价带最大值、导带最小值主要贡献来源于O-2p 轨道与Fe-3d 轨道。这种从等中心Fe 3d5 的直接转变有利于材料获得大的光吸收系数。

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