BiFeO3納米纖維的內在壓電表征及其對能量收集的影響

DOI：10.1016/j.apsusc.2019.144760

基于鈣鈦礦氧化物的鐵電體由于其電學和光學特性而在能源應用中引起人們的興趣。與塊狀材料相比，納米結構開辟了新的途徑，以提高表面體積比、孔隙率和機械柔韌性，改善和調整與壓電、鐵電、壓電電化學、電導率和催化作用相關的性能。為了闡明納米結構對壓電的影響，作者以一維納米結構的形式，即納米纖維，對最有前途的鈣鈦礦材料之一鐵酸鉍（BiFeO₃）進行了表征。將一組BiFeO_x前驅體納米纖維從化學溶膠中靜電紡絲，并在600 ℃下煅燒以獲得最終的BiFeO₃納米纖維結構。通過掃描納米纖維樣品，使用直接壓電顯微鏡（DPFM）研究了納米級的壓電產生的電荷。我們的結果表明，多晶納米纖維的直接壓電系數為d₃₃ = 11 pC/N，而60 nm膜為22 pC/N，400 nm膜為43 pC/N，與外延膜相比，其對應的值較小。壓電特性的下降主要歸因于納米結構的影響。納米纖維施加了另一個鉗制因子，該鉗制因子降低了BiFeO₃的壓電性能，減少了它們作為能量采集器的使用，有利于催化應用、水分解或光伏應用。

圖1。通過靜電紡絲和電噴霧在FTO/玻璃基底上沉積30分鐘并以600℃，1℃/min煅燒5小時的BFO樣品的XRD圖。考慮到BiFe₃、F:SnO₂、Bi、Fe₂O₃和Bi₂Fe₄O₉的結構，也繪制了Rietveld精修的擬合結果以供比較。

圖2.（a）串聯BFO樣品的XPS全掃描光譜，以及（b）Bi 4f/Bi 5s和（c）Fe 2p/Sn 3p_3/2區的高分辨率光譜。

圖3.（a）BFO納米纖維樣品的SEM圖像。插圖：放大區域，描繪納米纖維的顆粒形態。（b）BFO樣品的高分辨率AFM形貌圖，Δz= 2 μm，描繪了納米纖維的晶粒結構。

圖4.（a）與DPFM測量同時獲得的AFM形貌，（b）從接觸模式的跟蹤和回溯掃描方向，并施加204 μN的恒定力獲得的DPFM當前圖像和相應的輪廓。左圖對應于DPFM-Si（信號輸入），右圖對應于DPFM-So（信號輸出）。（c）在完全相同的樣品中進行常規PFM掃描，描繪了纖維的復雜域結構。從左到右：地形，VPFM幅度，VPFM相位和LPFM相位。（d）所獲取信息的三維呈現。顏色代碼對應于測得的電流，而粗糙度對應于形貌。匹配反平行域構型的樣品的三個不同區域用箭頭指示。沒有觀察到纖維的形貌與壓電特性之間的相關性。

圖5.（a）BFO納米纖維的DPFM-Si和（b）DPFM-So，具有所示的不同施加負載。通過獲取（c）中描述的直方圖來分析每個掃描區域的像素值，上圖對應于DPFM-Si，而下圖對應于DPFM-So。收集的電流取決于所施加的負載，正如壓電響應所預期的。從（a）和（b）中提取電流分布圖（d），以計算出尖端收集的確切電荷。對于樣品的三個不同區域，所收集的信號取決于（e）中所示的施加負載。施加的載荷與收集的電荷之間的線性關系能夠通過線性擬合計算納米纖維的d₃₃值（11 pC/N）。