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Improved optical, dielectric, and nonlinear properties of CaCu3Ti4O12 thin films by chromium doping

材料科学 X射线光电子能谱 薄膜 电介质 微观结构 晶界 兴奋剂 带隙 粒度 分析化学(期刊) 介电损耗 复合材料 光电子学 纳米技术 化学工程 化学 工程类 色谱法
作者
Renzhong Xue,Liuyang Zhao,Ziyang Chen,Bisong Cao,Chunyu Yuan,Yifan Xiao
出处
期刊:Thin Solid Films [Elsevier BV]
卷期号:779: 139940-139940
标识
DOI:10.1016/j.tsf.2023.139940
摘要

In the present work, the optical and dielectric properties, microstructures, and nonlinear electrical performances were systematically investigated for Ca1-xCrxCu3Ti4O12 (x = 0.00 - 0.40) thin films prepared on Pt/Ti/SiO2/Si substrates using the sol-gel method. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) verified that Cr3+ and Cr6+ were present in the thin films. Additionally, the content of secondary phase of titanium oxide (TiO2) increased, the grain size decreased, and the surface roughness improved with the increase in the doped content of Cr. Due to the reduced grain size and oxygen vacancy concentration, the optical energy band gap increased from 2.92 to 3.54 eV. The change in the dielectric constants (Ɛr) of the thin films followed the internal barrier layer capacitor model. Doping was found to decrease the dielectric loss (tan δ) and enhance the nonlinear properties, which was due to the presence of TiO2 secondary phase, high density, reduced grain size, incremental potential barrier height and grain boundary resistance. The Ca0.8Cr0.2Cu3Ti4O12 thin film had a high Ɛr of around 9340, low tan δ of around 0.012 at 1 kHz, nonlinear coefficient of about 4.64, and breakdown field of ca. 89 kV/mm. These results indicated that the doping of an appropriate amount of Cr could effectively modify the microstructure of CaCu3Ti4O12 thin films and improve their optical and electrical properties.
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