Band gap tuning in samarium-modified bismuth titanate ferroelectric via iron doping for photovoltaic applications
Sintonização de band gap do feroelétrico titanato de bismuto modificado com samário, via dopagem com ferro, para aplicações fotovoltaicas
Autores:
- Daniel Matos Silva*
- Fabio L. Zabotto
- Flavio Paulo Milton
- Ivair A. Santos*
- J. A. Eiras
- Mahmoud S. Alkathy
- Valmor R. Mastelaro
* Pesquisadores do NAPI EZC
Received:
Accepted: 04 de agosto de 2023
Published:
DOI: https://doi.org/10.1080/00150193.2023.2300601
Abstract
The wide band gap of complex oxides is one of the critical challenges restricting their usage in photovoltaic cells. Therefore, examinations of their photoelectric characteristics have increasingly concentrated on materials with a low band gap. This work investigated the effects of iron doping on samarium-modified Bi4Ti3O12 – based oxides (BSmT) made via a solid reaction approach to control the band gap of complex oxides. X-ray diffraction (XRD), ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) were used to study the synthesized materials’ structural, optical, and oxygen vacancies. Doping with Fe atoms significantly increased the tunability of the band gap from 3.20 eV to 1.81 eV without violating symmetry. The tuning of bandgap energy in this system was explained based on structural distortion and the formation of oxygen vacancies. This work examined the ferromagnetism and ferroelectricity ordering of the sintered BSmT:F0% and BSmT:F10% samples at room temperature to demonstrate the multiferroelectricity behavior. The findings indicate unsaturated P-E hysteresis loops driven by domain pinning caused by oxygen vacancy formation near domain boundaries. Simultaneously, significant S-type M-H hysteresis loops showed weak ferromagnetic ordering. The findings in this study are encouraging for the development of intrinsic multiferroics for photovoltaic devices for future applications.
Resumo
A obtenção de um gap de anergia largo em óxidos complexos é um dos desafios críticos que restringe seu uso em células solares fotovoltaicas. Portanto, investigações de suas características fotoelétricas têm sido cada vez mais concentradas em materiais com baixo gap. Este trabalho investigou os efeitos da dopagem com Fe, usada para controlar o band gap, do composto no Bi4Ti3O12 modificado com samário, obtido por reação de estado sólido. Difração de raios X (XRD), espectroscopia ultravioleta-visível (UV-Vis) e espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) foram utilizadas para estudar a estrutura, as propriedades ópticas e a presença de vacâncias de oxigênio nos materiais obtidos. A dopagem com átomos de Fe aumentou significativamente a sintonização do band gap de 3,20 eV para 1,81 eV, sem alterar a simetria estrutural. A sintonia da energia de bandgap neste sistema foi explicada com base na distorção estrutural e na formação de vacâncias de oxigênio. Este trabalho examinou, à temperatura ambiente, o magnetismo e a ferroelectricidade em amostras sinterizadas para demonstrar seu comportamento multiferroico. As descobertas indicam loops de histerese PE não saturados, relacionados ao ancoramento de domínios causado por vacâncias de oxigênio formadas próximo às de paredes de domínio. Simultaneamente, loops de histerese MH mostraram um ordenamento magnético fraco. Os resultados deste estudo mostraram-se encorajadores para o desenvolvimento de multiferroicos para futuras aplicações em dispositivos fotovoltaicos.
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
