Photoresponse of ferroelectric BaTiO3 thin films

Abstract

BaTiO3 es un material de óxido ferroeléctrico sin plomo. BaTiO3 películas delgadas han sido ampliamente estudiados para aplicaciones de memoria debido a su efecto de memoria de carga resultante de su naturaleza ferroeléctrica. Hoy en día, la comunidad científica ha renovado su interés en BaTiO3, ya que posee características que son interesantes para áreas de rápido desarrollo como la fotovoltaica, la detección fotoeléctrica y la fotocatálisis. El objetivo principal de la presente tesis es estudiar los efectos fotoeléctricos de las películas delgadas BaTiO3 y dar luz sobre los mecanismos relevantes que las controlan. Los materiales ferroeléctricos muestran campos eléctricos internos intrínsecos, inevitables y exclusivos: campo eléctrico de impresión (Eimp) y campo eléctrico de despolarización (Edep). Así se pueden obtener distintos efectos fotoeléctricos debido a Eimp y Edep. En la presente tesis hemos estudiado en detalle el papel de Eimp y Edep en los efectos fotoeléctricos de películas BaTiO3. En particular, se muestra que se puede usar una configuración de medición apropiada para revelar y aislar su contribución. Como resultado, pueden obtenerse diferentes foto respuestas transitorias y constantes según se desee. De igual modo, se analiza su contribución a la dinámica de conmutación ferroeléctrica. La foto respuesta transitorio tiene su origen en el cribado de la carga superficial (fotograbado). Para modular su magnitud se ha realizado una caracterización detallada. Se concluye que la polarización de las fotos se rige por la presencia de agua adsorbida en la superficie, lo que permite su control. Sin embargo, se ha encontrado que la eficiencia fotoeléctrica está limitada por la baja generación de portadores por la luz, por lo que el efecto de O sustituido por N en la red BaTiO3, lo que debería dar lugar a un estrechamiento de banda, mejorando así la eficiencia fotoeléctrica , ha sido estudiado. Curiosamente, se encuentra que los tratamientos de amoníaco son eficientes para mejorar las respuestas fotoeléctricas, sin tener ninguna evidencia clara de la sustitución de N.

BaTiO3 is a lead-free ferroelectric oxide material. BaTiO3 thin films have been widely studied for memory applications due to its charge memory effect resulting from its ferroelectric nature. Nowadays, the scientific community has renewed its interest on BaTiO3, because it holds characteristics that is interesting for rapidly developing areas such as photovoltaics, photoelectric sensing and photocatalysis. The main goal of the present thesis is to study the photoelectric effects on BaTiO3 thin films and to give light on the relevant mechanisms that control them. Ferroelectric materials show intrinsic, unavoidable and exclusive internal electric fields: imprint electric field (Eimp) and depolarization electric field (Edep). Thus distinct photoelectric effects can be obtained due to Eimp and Edep. In the present thesis we have studied in detail the role of Eimp and Edep on photoelectric effects of BaTiO3 films. In particular, it is shown that appropriate measurement configuration can be used to disclose and isolate their contribution. As a result, different transient and constant photoresponses can be obtained as wish. By the same token, their contribution to the ferroelectric switching dynamics are also analyzed. The transient photoresponse finds its origin on the screening of surface charge (photoscreening). In order to modulate its magnitude detailed characterization has been performed. It is concluded that the polarization photoscreening is governed by the presence of water adsorbed at the surface, allowing it to be controlled. However, the photoelectric efficiency has been found to be limited by the low generation of carriers by light, that is the reason why the effect of O substituted by N in BaTiO3 lattice, which should result in band-gap narrowing, hence improving the photoelectric efficiency, has been studied. Interestingly, it is found that ammonia treatments are efficient to improve photoelectric responses, without having any clear evidence of N substitution.