BiFeO3纳米纤维的内在压电表征及其对能量收集的影响

DOI：10.1016/j.apsusc.2019.144760

基于钙钛矿氧化物的铁电体由于其电学和光学特性而在能源应用中引起人们的兴趣。与块状材料相比，纳米结构开辟了新的途径，以提高表面体积比、孔隙率和机械柔韧性，改善和调整与压电、铁电、压电电化学、电导率和催化作用相关的性能。为了阐明纳米结构对压电的影响，作者以一维纳米结构的形式，即纳米纤维，对最有前途的钙钛矿材料之一铁酸铋（BiFeO₃）进行了表征。将一组BiFeO_x前驱体纳米纤维从化学溶胶中静电纺丝，并在600 ℃下煅烧以获得最终的BiFeO₃纳米纤维结构。通过扫描纳米纤维样品，使用直接压电显微镜（DPFM）研究了纳米级的压电产生的电荷。我们的结果表明，多晶纳米纤维的直接压电系数为d₃₃ = 11 pC/N，而60 nm膜为22 pC/N，400 nm膜为43 pC/N，与外延膜相比，其对应的值较小。压电特性的下降主要归因于纳米结构的影响。纳米纤维施加了另一个钳制因子，该钳制因子降低了BiFeO₃的压电性能，减少了它们作为能量采集器的使用，有利于催化应用、水分解或光伏应用。

图1。通过静电纺丝和电喷雾在FTO/玻璃基底上沉积30分钟并以600℃，1℃/min煅烧5小时的BFO样品的XRD图。考虑到BiFe₃、F:SnO₂、Bi、Fe₂O₃和Bi₂Fe₄O₉的结构，也绘制了Rietveld精修的拟合结果以供比较。

图2.（a）串联BFO样品的XPS全扫描光谱，以及（b）Bi 4f/Bi 5s和（c）Fe 2p/Sn 3p_3/2区的高分辨率光谱。

图3.（a）BFO纳米纤维样品的SEM图像。插图：放大区域，描绘纳米纤维的颗粒形态。（b）BFO样品的高分辨率AFM形貌图，Δz= 2 µm，描绘了纳米纤维的晶粒结构。

图4.（a）与DPFM测量同时获得的AFM形貌，（b）从接触模式的跟踪和回溯扫描方向，并施加204 µN的恒定力获得的DPFM当前图像和相应的轮廓。左图对应于DPFM-Si（信号输入），右图对应于DPFM-So（信号输出）。（c）在完全相同的样品中进行常规PFM扫描，描绘了纤维的复杂域结构。从左到右：地形，VPFM幅度，VPFM相位和LPFM相位。（d）所获取信息的三维呈现。颜色代码对应于测得的电流，而粗糙度对应于形貌。匹配反平行域构型的样品的三个不同区域用箭头指示。没有观察到纤维的形貌与压电特性之间的相关性。

图5.（a）BFO纳米纤维的DPFM-Si和（b）DPFM-So，具有所示的不同施加负载。通过获取（c）中描述的直方图来分析每个扫描区域的像素值，上图对应于DPFM-Si，而下图对应于DPFM-So。收集的电流取决于所施加的负载，正如压电响应所预期的。从（a）和（b）中提取电流分布图（d），以计算出尖端收集的确切电荷。对于样品的三个不同区域，所收集的信号取决于（e）中所示的施加负载。施加的载荷与收集的电荷之间的线性关系能够通过线性拟合计算纳米纤维的d₃₃值（11 pC/N）。